FeVO4微晶的合成及其光催化性能

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光催化剂是半导体光催化技术中至关重要的一个部分,一些传统的半导体光催化剂存在着禁带宽度较宽,对光的吸收波长范围太窄或只可吸收波长较短的紫外光,光催化反应过程中会对环境造成二次污染等问题。为了解决这些问题,除了对现有熟知的催化剂进行改性外,新的半导体光催化剂的研究也相当重要。因为钒酸盐中的V的3d轨道的电子能够被光激发而吸引了科学家的注意。在众多的钒酸盐光催化剂中,关于FeVO4微晶的研究较少。本论文分别采用了不同的制备技术合成了FeVO4微晶,并且对不同方法制备的FeVO4微晶的特性进行了研究,旨在寻求一种制备高催化活性的FeVO4微晶的简单可控的方法。利用X射线衍射仪(XRD),扫描电子显微镜(SEM)和紫外可见吸收光谱(UV-vis)和示差扫描量热分析(DSC)分别对产物的物相、形貌、光学性能和光催化性能等进行了表征。以偏钒酸铵(NH4VO3)和九水硝酸(Fe(NO33·9H2O)为原料采用直接沉淀的方法在pH=5,n(Fe)/n(V)为1.0时制备的无定形态FeVO4,在600℃煅烧4h生成了结晶性能较好的三斜型结构的FeVO4微晶,但是此种方法制备的FeVO4微晶的颗粒尺寸较大且出现了较明显的团聚现象。采用声化学法,以NH4VO3和Fe(NO33·9H2O为原料制备了FeVO4微晶,研究发现,所制备的FeVO4微晶为三斜型结构,超声功率由300W增加到500W,微晶尺寸逐渐下降,大小更为均匀。UV-vis分析表明所制备的FeVO4微晶具有较强的吸收可见光特性,且随着超声辐射的功率的增加,粒径减小,禁带宽度由2.17eV减小到2.08eV;随着超声辐射时间的延长,FeVO4微晶的紫外-可见吸收光谱的最大吸收边发生了明显的红移现象;随着超声辐射功率的提高和震荡时间的延长,制备的FeVO4微晶的光催化活性明显提高。500W超声辐射4h制备的FeVO4微晶的光催化活性最好,其在紫外光照射下对罗丹明B的降解率100min可达93%。通过传统的水热反应合成水合钒酸铁微晶,再将水合钒酸铁微晶在460℃煅烧制备出了三斜晶系FeVO4微晶。系统的研究了不同的工艺因素对FeVO4微晶的影响,结果表明,(1)当pH值为1时,制备了棒状的FeVO4·1.1H2O微晶;当pH值为35时,制备了棒状的Fe4(VO44·5H2O微晶。(2)Fe4(VO44·5H2O微晶可以通过重结晶过程转变为FeVO4微晶,并且保持了原来的棒状形貌;FeVO4·1.1H2O微晶煅烧后生成了颗粒状的FeVO4微晶。(3)对制备棒状FeVO4微晶的工艺因素进行了进一步的研究,优化了制备棒状FeVO4微晶的工艺条件。200℃水热反应24h48h,生成了棒状的Fe4(VO4)4·5H2O微晶;当水热温度低于200℃时,产物为无定形的纳米颗粒,这对最终产物FeVO4微晶的特性和光催化活性都有影响。当煅烧时间大于或小于3h时,FeVO4微晶的结晶度和形貌发生变化,均对其光催化有影响。实验发现,在pH值为3,200℃水热反应48h,460℃煅烧3h时,所制备的棒状FeVO4微晶的可见光催化活性最好,其在可见光的照射下,对罗丹明B的降解率6h可达90%。采用水热法制备的FeVO4微晶的结晶度高,形貌易于控制,不易团聚,热处理过程中结构H2O分子的失去和水蒸气冲破微米棒表面使FeVO4微晶产生的较多缺陷,均有利于FeVO4微晶光催化活性的提高。
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