Bi2MoO6纳米光催化剂改性及光还原CO2性能研究

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随着世界经济进一步发展,能源的过度使用已经无法忽略。环境问题与能源短缺问题随之而来,无论是治理环境污染还是寻求新能源都迫在眉睫。半导体光催化技术因为以太阳光照为能量来源吸引了人们的目光,在不断研究中发现,半导体催化剂既能光催化降解水中的污染物,又能分解水产氢,还能将CO2还原为碳氢燃料,具有广泛的应用前景。其中,Bi2MoO6纳米材料因其特殊的层状结构、毒性低、制取方便以及光化学性质稳定等优点被学者们认为是一种具有重要价值的半导体光催化剂。但是纯Bi2MoO6在参与光催化反应时,其光生载流子复合率较高,而且对光的吸收能力不够强,这些原因都限制了Bi2MoO6作为催化剂的应用。本文采取溶剂热法引入了ZnFe2O4纳米颗粒与Bi2MoO6形成异质结、采取一步溶剂热法合成了La3+掺杂的Bi2MoO6纳米催化剂并且以葡萄糖为碳源将C元素引入Bi2MoO6/La复合催化剂中。采用XRD、XPS、SEM、TEM、BET、UV-Vis等方式对所合成光催化剂的晶形结构、元素分布与化学价态、形貌、光吸收能力、光电化学性质等进行了综合分析。并且以光催化还原CO2产量的多少来对光催化剂的性能进行了表征。(1)采取简单溶剂热法合成了ZnFe2O4/Bi2MoO6异质结材料。结构表征说明,ZnFe2O4与Bi2MoO6材料的复合可以在两者之间可以形成异质结,一方面窄带隙半导体ZnFe2O4加入能够提升材料的光响应范围与光吸收能力,另一方面异质结形成以后,光生电子传输方向与空穴传输方向会相应的改变,能够促使光生载流子进一步分离。性能测试显示,ZFO/BMO-20%复合材料光催化还原CO2的效率最高,在5 h模拟太阳光照射下可以达到47.1μmol g-1,而同样条件下的纯ZFO与纯BMO材料还原的总产物量分别为14.79μmol g-1与19.01μmol g-1。以上结果证明ZFO/BMO异质结的生成确实提高了催化剂的光催化效率。(2)采用一步溶剂热法成功合成了Bi2MoO6以及BMO/La系列复合材料。从XRD、SEM、TEM等表征能够推断出掺杂的La3+并未成晶型,而且因为与Bi3+具有相似的离子半径,在掺杂进入晶格时也并未引起Bi2MoO6晶型的明显变化,而是以离子的形式存在。同时La3+作为活性位点,为光生载流子的转移提供渠道。其中在模拟太阳光的照射下,BMO/La-5%表现出了最高的光催化还原CO2的效率,在5 h的反应后,其一氧化碳与甲烷产量共达到了33.76μmol g-1。结合光电流、交流阻抗、荧光光谱等表征说明了La3+的掺杂可以提高光生载流子的分离效率,从而提升材料的光催化性能。(3)通过溶剂热法与水热法相结合的方式,以葡萄糖为碳源将C元素引入BMO/La复合材料中形成碳层。并且对复合材料的晶形结构、形貌、电子价态、光电化学性质等进行了详细的表征。在光催化还原CO2的实验中,BMO/La/C-1%复合材料表现出了最好的光催化还原CO2的性能。在5 h模拟太阳光的照射下,BMO/La/C-1%产生甲烷与一氧化碳的总量为54.16μmol g-1。光催化性能的提升可以归因于碳层的形成能够起到引导光生电子转移的作用,将自身作为电子存储中心,以促使光生载流子复合率的降低方式来提升材料的光催化性能。
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