BiOBr基光催化剂的制备、改性及性能研究

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太阳能驱动的光催化技术能够在温和条件下实现水体中污染物的降解,与传统污水处理技术相比,光催化污水处理技术具有经济、绿色、高效等优势。BiOBr具有独特的层状结构和良好的稳定性,因此其在污染物降解、光解水、二氧化碳还原等领域展现出广阔的应用前景,但光生电子-空穴对分离效率较低等原因使其在实际应用中达不到理想水平,因此对BiOBr进行改性处理,提高其光催化性能是一项十分有意义的课题。本论文以BiOBr光催化剂为主要研究对象,以制备应用于污水处理领域的高效光催化剂为目的,通过元素掺杂、暴露晶面调控和异质结构建等方式促进光生电子-空穴对的分离,提高光催化效率。具体工作可分为以下三部分:(1)在模拟太阳光照射下,Fe、Cu共掺杂BiOBr光催化剂对污染物的降解能力相较于BiOBr单体得到明显提升。通过水浴加热的方法制备出二维Fe、Cu共掺杂BiOBr光催化剂,过渡金属元素掺杂能够在BiOBr晶体结构中引入缺陷,同时在禁带中形成杂质能级,既能降低电子跃迁势垒,也能抑制光生电子-空穴对的复合。对催化剂的能带结构进行计算发现,Fe、Cu的引入使BiOBr价带和导带位置发生了一定变化。通过调控Fe和Cu的引入量,探索不同掺杂量对BiOBr光催化性能的影响。结果证明1Fe-1Cu-BiOBr光催化剂对单一模拟污染物(盐酸四环素和罗丹明B)的降解效率得到明显提升,同时其针对二者的混合污染物也表现出较好的光催化降解性能。(2)以Ca CO3作为新型导向剂,在常温常压下成功制备以(110)为主暴露晶面的BiOBr纳米片。测试数据没有发现明显的Ca2+掺杂信号,但大量Ca CO3的引入对BiOBr的暴露晶面起到了调控作用,主暴露晶面由(102)变为(110)。以(110)晶面为主暴露晶面的BiOBr纳米片形成范德华带隙,在范德华带隙上存在大量的不饱和键和中间结合位点,为污染物降解提供更多的反应活性位点。BiOBr的二维结构使(110)/(102)的比例更高,增大(110)晶面的暴露比。Ca CO3的引入也使BiOBr纳米片的比表面积得到一定程度增大,催化剂与污染物之间的接触几率提高,有利于促进光降解污染物反应的进行。当Ca与Bi的摩尔比为5:1时,BiOBr表现出最佳的光催化性能。此外,其他碱土金属碳酸盐的引入也在一定程度上起到了对BiOBr晶面调控的作用。(3)通过水浴加热在聚酰亚胺气凝胶(PI)结构上生长BiOBr纳米片,成功制备了BiOBr/PI复合光催化剂。实验结果表明,当PI添加量为0.05 g时,所制备的0.05PI/BiOBr光催化剂表现出最佳的光催化降解性能。PI作为聚合物半导体,具有大的比表面积,能够更好的吸附废水中的污染物,从而使PI结构上原位生长的BiOBr更好的与污染物接触,提高BiOBr对污染物的降解能力。通过XPS和莫特肖特基测试发现,二者结合构建p-n异质结后形成的内部电场能够使光生电子-空穴定向传导,促进二者的分离。DRS图谱表明PI的引入拓宽了BiOBr的光响应范围。另一方面,经过处理后的PI疏水性得到了明显改善,使其能够更好的应用在污水处理领域。
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