论文部分内容阅读
随着全球经济的快速发展，环境污染的控制与治理面临着前所未有的压力，太阳光光催化降解污水中有机污染物有希望实现环境污染修复及能源合理利用。太阳光谱中紫外光不到5％，可见光则占到近48％，近红外光大约占44％。为了能有效地利用太阳光，提高光催化效率，本课题一方面通过对传统宽带隙半导体Ta2O5进行N掺杂改性来拓宽其可见光响应范围，另一方面直接合成在Vis/NIR光下具有催化活性的全新光催化剂Cu2(OH)3NO3分层纳米棒，并用这些光催化剂对污水进行光催化降解的研究，深入探讨这些催化剂的形成机制、吸附性能、光催化性能、光降解动力学及光催化机理。 本文首先采用水热刻蚀法合成了Ta2O5纳米花，通过在氨气氛围中、不同温度下(700℃-850℃)煅烧Ta2O5的方法制备出N掺杂Ta2O5纳米花光催化剂，并利用XRD、SEM、TEM、XPS、BET及UV-vis DRS等手段对样品进行了详细表证分析。通过实验研究发现，Ta2O5纳米花及其氮化产物对溶液中甲基蓝(MB)具有很强的吸附性能。并且这些催化剂对溶液中MB的吸附过程和光降解过程分别遵循准二级吸附动力学化学吸附机制和准一级降解动力学机制。与其它氮化样品相比，样品N-Ta2O5-750℃对MB展示出了最大光催化降解效率92.25％，这主要归因于拓宽的光吸收窗口、大的比表面积、强的吸附能力及染料敏化的协同作用结果。活性物种鉴定实验表明，h+、·OH、·O2-是N-Ta2O5-750℃可见光催化降解MB的过程中涉及到的主要氧化还原活性物种，并且这些物种在光降解MB过程中的体现的重要性排序为h+＞·OH＞·O2-。此外，利用液相色谱串联质谱技术和紫外-可见吸收光谱对降解产物进行了分析，结果表明，N-Ta2O5-750℃对MB的光催化降解是从脱甲基开始的。 本文采用热蒸发硝酸铜溶液法首次成功合成了Cu2(OH)3NO3分层结构纳米棒，运用多种手段对其进行了微观显微结构、物相组成、比表面积、表面电荷、分子结构及光吸收性能的表征分析，通过TG测试提出了Cu2(OH)3NO3分层纳米棒可能的形成机制。通过实验研究发现，Cu2(OH)3NO3分层纳米棒及商业碱式硝酸铜颗粒对溶液中2，4DCP吸附性能较差，且吸附性能与比表面积成正比。所有样品的吸附过程都较好的符合Lagergren准二级吸附动力学模型，外部扩散为此吸附过程的速率控制步骤。商业碱式硝酸铜只在可见-近红外光(λ＞450nm)辐照下对2，4二氯苯酚(2，4DCP)表现出光催化性能，实际光降解率为7.7％。而Cu2(OH)3NO3分层纳米棒在可见-近红外光(λ＞450nm)和近红外光(λ＞800nm)辐照下，对溶液中2，4DCP均表现出了光催化性能，实际光降解率分别为23.3％和15.3％，且光降解过程均遵循准一级降解动力学模型，这主要归因于Cu2(OH)3NO3的纳米棒构成的分层结构、较小的晶粒尺寸及大的比表面积和强的光吸收能力协同作用。在常温常压不添加任何空气或者氧气流的条件下，Cu2(OH)3NO3分层纳米棒可以利用溶解的氧高效湿法催化氧化刚果红，6小时内使刚果红溶液色度去除率为51.85％。