生物模板辅助水热法制备直接Z型BiOBr/g-C3N4光催化材料及其性能研究

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近几年,BiOBr和g-C3N4作为两种具备较宽光响应范围和较高光催化活性的光催化材料,在光催化领域受到了广泛的关注。但这些光催化单体仍存在一些固有的性能缺陷,使它们在光催化领域的实际应用受到了极大地限制。因此,本文合成了微球状BiOBr和片状g-C3N4两种光催化材料,对两种光催化材料进行了改性处理,构建了直接Z型BiOBr/g-C3N4复合光催化材料,并探究了不同制备参数对光催化剂的微观形貌、光吸收性能、光电化学性能以及光催化性能的影响。采用XRD、FESEM、EDS、TEM、BET、UV-vis DRS、电化学工作站等检测手段对材料进行了分析与评估,在此基础之上提出了材料的光催化降解机理。具体研究内容如下:(1)采用生物模板辅助水热法制备了具有微球状分级结构的BiOBr光催化材料:当前驱液的p H=5,水热温度达到120℃,且n(BiOBr)/n(L-赖氨酸)=1:1时,BiOBr的微球尺寸缩小至300 nm,光吸收边界提升至445 nm,同时显现出较高的光催化活性,其对于Rh B和TC-HCl的光催化效率分别达到了99.5%/90 min和79.9%/150 min,并且对Rh B溶液中总有机碳的去除率可达62.2%,这些性能的提升主要由于适量生物模板对BiOBr晶体生长和自组装过程有效的调控作用。(2)采用热聚合法制备了块状g-C3N4光催化材料,并通过气相-高温剥离法对其进行改性处理,制备了片状g-C3N4光催化材料:当热聚合法在空气环境中煅烧温度达到550℃以及改性过程中加入NH4Cl的质量比为42.9%时,g-C3N4的光催化降解性能达到最佳,其光催化降解速率是未经过改性g-C3N4的5.08倍。这种光催化性能的提升主要由于气体逸出和高温环境有效的破坏g-C3N4层间和层内的结合力,将块状g-C3N4逐渐剥离为片状结构,并使g-C3N4的可见光吸收边界提升至467 nm。(3)通过生物模板辅助水热法在片状g-C3N4表面原位生长出BiOBr微球,构建了直接Z型BiOBr/g-C3N4复合光催化材料:当BiOBr/g-C3N4复合材料中BiOBr的加入量为20%时,其对Rh B和TC-HCl均显现出较高的光催化性能,其光催化降解Rh B的反应速率分别为g-C3N4和BiOBr单体的1.87和1.57倍。直接Z型异质结体系的构建有效地提升了复合材料的光吸收性能(483 nm)、加速了界面电荷的转移和促进了光生电子-空穴对的分离。(4)采用活性基团捕获实验,得出在光催化降解过程中对于BiOBr:h+和·OH是主要活性基团,而·O2-是次要活性基团。对于g-C3N4:h+和·O2-是降解Rh B的主要活性基团,·OH是次要活性基团。对于BiOBr/g-C3N4:·OH、h+和·O2-均为主要活性基团。此外,这三种光催化材料在循环降解Rh B的实验中,均表现出良好的光稳定性和循环稳定性。
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