氮化硼负载银基复合材料的制备及其光催化性能的研究

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光催化技术作为一种利用太阳能、无二次污染、能有效的分解有机污染物和分解水制氢的新型绿色技术,能够有效地解决日益加剧的能源短缺和环境污染问题。传统的半导体光催化剂(TiO2、ZnO),由于禁带宽度较大,其光响应区域只在紫外光区,因此光量子和太阳光的利用率较低,限制了光催化技术的发展与应用。因此,开发具有可见光响应的高催化活性的新型半导体光催化剂已成为光催化领域的研究重点。银基半导体光催化剂的带隙较窄,其具有很强的可见光响应和光催化活性。然而,银基半导体光催化剂的光生电子空穴对复合率较高,导致光生载流子的利用率不高,而且具有极强的光腐蚀性,化学稳定性差。因此需要通过对其形貌调控以及与其它物质进行复合来提高银基光催化材料的光催化活性以及稳定性。类石墨烯六方氮化硼(h-BN)纳米片具有较大的比表面积,同时其纳米片为少层,是一种良好的催化剂载体,通过其与银基光催化剂的复合,有望促进复合材料光生电子空穴对的分离,从而提高其可见光下光催化降解有机污染物的活性和稳定性,拓展低成本高比表面积的h-BN与银基复合光催化材料在光催化领域的实际应用和发展。本论文主要研究结果如下:  1.以尿素和硼酸为原料,通过高温煅烧制备出类石墨烯h-BN纳米片,然后采用简单的沉淀法一步合成出新型可见光响应的h-BN/Ag2CO3复合光催化剂。通过SEM、TEM、XRD、FT-IR、UV-vis DRS、PL等表征手段对光催化剂的形貌、结构、组分、光学性能等进行分析。以罗丹明B为环境污染物,可见光光催化降解的实验表明,h-BN的引入,不仅明显提高了h-BN/Ag2CO3复合光催化剂的催化活性,同时抑制了银的还原,提高了材料的稳定性。表明h-BN的引入促进了复合光催化剂光生电子空穴对的有效分离。结合光催化降解实验结果及自由基的捕获实验,探讨了h-BN/Ag2CO3复合光催化剂光催化降解罗丹明B的可能机理,为h-BN复合银基半导体光催化材料的制备与应用提供实验数据和理论指导。  2.以类石墨烯h-BN纳米片为载体,通过沉淀法合成出不同比例的可见光响应的h-BN/Ag3VO4复合光催化剂。当h-BN的含量为3wt%时,复合材料的光催化活性最高,其光催化降解罗丹明B的活性是单纯的Ag3VO4的3.19倍。自由基捕获实验表明,复合材料光催化降解罗丹明B的主要活性物种是超氧自由基(?O2-)和空穴(h+),荧光光谱分析和瞬态光电流结果表明,复合催化剂的电子空穴复合率远低于单纯的Ag3VO4催化剂,表明类石墨烯h-BN与Ag3VO4的复合增加了光生载流电荷的利用率,有利于产生更多的活性物种,从而提高了催化剂的光催化活性和稳定性。  3.以类石墨烯h-BN纳米片为载体,通过水溶性盐晶体模板法和离子交换法制备出AgI/AgBr/h-BN三元复合光催化材料。通过对罗丹明B和甲基橙降解的实验得出,三元AgI/AgBr/h-BN复合光催化剂具有优越的光催化活性和稳定性。其原因在于AgBr立方块与AgI界面的形成及耦合h-BN,AgI/AgBr/h-BN复合光催化剂能够有效抑制光生电子空穴对的复合,提高光生载流电荷的利用率,从而增强了其光催化性能。通过光电化学测试、活性物种捕获和电子自旋共振等实验,并结合实验结果,探讨了复合材料光催化活性和稳定性提高的机理,为设计合成低成本、可见光驱动的光催化材料提供思路。
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