【摘 要】
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近年来,工业废水已对全球80%的水资源造成了严重的污染,尤其是纺织工业中的染料废水,其结构稳定,存在于水体中很难被降解,严重地威胁了生态环境的可持续发展。而光催化技术可以直接利用太阳光驱动催化反应进行污水净化,即通过氧化还原反应将有机大分子降解为水和二氧化碳,且不会产生二次污染,是一种高效、经济、环保的水处理技术。溴氧化铋(BiOBr)作为一种新型的半导体光催化剂,在光催化领域受到了广泛的关注。首
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近年来,工业废水已对全球80%的水资源造成了严重的污染,尤其是纺织工业中的染料废水,其结构稳定,存在于水体中很难被降解,严重地威胁了生态环境的可持续发展。而光催化技术可以直接利用太阳光驱动催化反应进行污水净化,即通过氧化还原反应将有机大分子降解为水和二氧化碳,且不会产生二次污染,是一种高效、经济、环保的水处理技术。溴氧化铋(BiOBr)作为一种新型的半导体光催化剂,在光催化领域受到了广泛的关注。首先,它具有独特的层状结构,使其在结构、电子和光学方面都具有优异的性能;其次,BiOBr的分子间能带带隙约为2.5~2.8 eV,拥有良好的光吸收能力。然而,其光生电子和空穴容易复合,以及其在溶液中的亲水性和分散性差等问题限制了它的光催化活性,阻碍了其在实际应用中的进一步发展。为了改善这些缺陷,本论文通过构建异质结、调控光催化剂的表面性质、以及增强光催化剂的导电性等三种方式分别对BiOBr进行改性,提高其光催化降解有机染料的活性,从而激发其应用潜力。具体的工作如下:首先,构建了溴氧化铋/碱式碳酸铋异质结(BiOBr/Bi2O2CO3)以改善光生载流子易复合的问题。借助XRD、SEM、XPS等表征技术研究了所制备样品的晶体结构、表观形貌及其表面化学形态。在模拟太阳光的照射下,通过降解染料罗丹明B(RhB)考察了其光催化活性,结果表明,所合成的样品1/1-BiOBr/Bi2O2CO3的光催化反应速率常数(k)较于BiOBr和Bi2O2CO3分别提升了约2.4倍和6.39倍。探讨并揭示了BiOBr/Bi2O2CO3复合材料光催化降解RhB的反应机理,证实了异质结的构建降低了光生载流子的复合,进而提高了单一组分半导体光催化剂的光催化活性。其次,针对BiOBr在溶液中的亲水性和分散性差的问题,制备了类似灯笼状的BiOBr/CNC(纤维素纳米晶体)复合光催化剂。采用一系列表征技术研究了BiOBr/CNC复合材料的表面化学结构及其性质,证实了CNCs的添加提高了BiOBr/CNC复合材料在溶液中的亲水性和分散性。结果表明,样品BiOBr/CNC-10%光催化降解RhB的反应速率常数(k)为0.0750 min-1,约为相同条件下的BiOBr的1.75倍。实现了以表面改性为切入点提高BiOBr的光催化活性的设计和猜想,为借助CNCs改善半导体光催化剂的研究提供了数据支撑。最后,以糖基活性炭(SAC)为基底材料,制备了SAC/BiOBr复合材料。借助XRD、FT-IR、SEM、XPS、BET等表征技术对所制备样品的物相结构、表面形貌及其表面化学性质进行了研究。通过检测其对溶液中RhB的去除率评估了其光催化性能。由于SAC赋予了SAC/BiOBr复合材料良好的导电性和亲水性,加上SAC表面的含氧官能团对BiOBr表观形貌的调控作用,促进了光生载流子的分离以及样品在水溶液中的亲水性和分散性,使得SAC/BiOBr对于RhB的光催化去除率显著提高,其反应速率常数k(0.1404 min-1)约为相同条件下纯的BiOBr(0.0391 min-1)的3.6倍。
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