基于钨酸盐纳米材料的制备及其光催化性能研究

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利用太阳能进行一系列光催化反应(光解水,光还原CO2,光降解污染物等)对缓解能源短缺和环境污染等问题具有重要意义。然而,传统半导体光催化剂存在诸如带隙过高,太阳能利用率低,电子空穴分离程度不够等不足限制了光催化技术的进一步大范围使用。因此,本文以两种不同钨酸盐类的较窄带隙半导体Bi2WO6和Mn WO4作为研究对象,分别制备了WO3/Bi2WO6,Mo S2/Mn WO4与Mn WO4/g-C3N4三种复合纳米材料。通过一系列表征手段对样品的基本特性进行了表征。同时,对几种复合材料分别针对几种不同的光催化反应测试了它们的光催化活性。结合表征与实验所得的结果与催化活性,探讨了所合成材料的结构,形貌,光学特性及电学特性等与催化剂活性之间的关系,具体研究内容如下:(1)通过简易的溶剂热法和水热法分别制备了棒状的Mn WO4和无定形的Mo S2,再通过一步溶剂热法得到了一种Z型的Mo S2/Mn WO4复合纳米材料并将其用于光分解水产氧。结果表明,引入Mo S2能够显著的增强复合材料对于可见光的吸收。此外,Mo S2与Mn WO4之间形成p-n异质结以及特殊的Mo6+掺杂的Mn WO4材料能够使得电子能够更快的从Mn WO4的价带迁移到Mo S2的导带,从而增强光生载流子的分离效果。光催化分解水的产氧的结果表明复合材料的催化性能得到显著提升,当复合材料中Mo S2的含量为0.5%时具有最高光催化活性,3h内O2产量达到了223μmol/g,分别是单体Mn WO4和无定形Mo S2的1.2倍和2.6倍。(2)通过简易的水热法制备了棒状的Mn WO4/g-C3N4复合纳米光催化剂并将其用于光分解水产氢。表征结果显示,由于两种材料之间异质结构的形成,使得复合材料对可见光有更强的吸收能力,光生载流子的复合效率明显降低,新的复合光催化剂相对于单体g-C3N4来说具有更高的比表面积,有利于光催化反应。由于g-C3N4具有合适的导带价带位置,因此Mn WO4和g-C3N4复合之后,具有较高的光催化分解水产氢的效果,在3h内H2产量最大为2820μmol/g,是单体g-C3N4的3.8倍。另外,我们考察了p H值对H2产量的影响,发现在Pt作为助催化剂,甲醇作为牺牲剂的条件下强碱性环境更有利于Mn WO4/g-C3N4的光解水产氢反应,在p H=14时3h内H2产量能够达到5034μmol/g。(3)以H2WO4作为钨源,采用水热法合成了花状WO3/Bi2WO6纳米光催化剂。在此基础上,通过光沉积法将贵金属Ag负载在了该催化剂表面获得了Ag/WO3/Bi2WO6三元复合纳米光催化剂。由于纳米Ag的SPR效应,合成的复合纳米光催化剂相对于单体的Bi2WO6和WO3来说具有更高的可见光吸收能力。并且Bi2WO6和WO3之间形成的Z型异质结能够明显的增强两种材料间的光生载流子的分离和传输作用。因此,合成的三元复合材料具有更强的对氯代VOC类污染物的光降解效果,2%Ag/WO3/Bi2WO6能够在10h内降解80%左右的氯苯,其反应速率分别是单体Bi2WO6和WO3/Bi2WO6的2.8倍和1.8倍。
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