FeVO4基复合催化剂的设计合成及其光催化性能研究

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多金属氧化物FeVO4是典型的n型半导体,它具有优异的可见光响应、化学稳定性和热稳定性,但存在着比表面积小、光生载流子复合率高等缺陷。因此,本研究通过将其与半导体材料In2S3、Zn In2S4和MOFs材料MIL-53(Fe)进行复合构建异质结的方法对其改性来解决上述问题。本论文的主要研究内容与结果如下:(1)采用简单的水热法,使In2S3纳米片附着FeVO4微米棒表面制备了FeVO4/In2S3异质结,采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线电子能谱(XPS)、紫外可见漫反射(UV-Vis)和光致发光(PL)光谱等手段对制备的催化剂进行了表征,通过光催化降解四环素(TC)评价其光催化性能,探讨了异质结界面光生电子和空穴的迁移机制。结果表明,与纯FeVO4、In2S3相比,FeVO4/In2S3复合光催化剂的可见光响应更强、光生电子-空穴对的复合率显著降低、光催化活性显著增强,其中,FeVO4质量比为20%的复合催化剂20%FVO/IS的光催化活性最高,120 min内对TC的光催化降解效率高达90%,TC的降解速率常数为0.01362min-1,分别是FeVO4和In2S3的3.98和2.87倍。20%FVO/IS的界面电荷传输机制遵循TypeⅡ型异质结电荷转移路径,光催化反应过程中主要的活性物种是·O2-。(2)采用简单的水热-溶剂热法合成FeVO4/MIL-53(Fe)Ⅱ型异质结光催化剂,采用XRD、SEM、TEM、UV-Vis、电化学性能测试等手段对其进行了表征,考查了其对TC的光催化降解性能,探讨了光催化机理。结果表明,相对于纯FeVO4和MIL-53(Fe)而言,FeVO4/MIL-53(Fe)异质结光催化剂表现出优异的光催化性能。FeVO4质量比为10%的复合物10%FVOM的光催化活性最高,在可见光照射下,120min内对TC的光催化降解效率达到了80.5%。对TC的降解速率常数为0.0103min-1,分别是MIL-53(Fe)和FeVO4的25倍和3倍。这主要归因于异质结的形成使得光生电子-空穴对的复合率更小。(3)通过水浴法将Zn In2S4纳米片包裹在FeVO4亚微米棒上,制备了具有独特核壳结构的Z型异质结复合催化剂FeVO4@Zn In2S4,采用多种手段对制备的催化剂进行了表征,评估了FeVO4@Zn In2S4对TC的光催化活性,探讨了异质结界面的电荷传输机理。结果表明,与纯FeVO4和Zn In2S4相比,FeVO4/Zn In2S4的光催化活性显著提高,对TC的光催化降解效率高达90%,对TC的降解速率常数为0.01552 min-1,分别是纯FeVO4和Zn In2S4的5.75倍和2.06倍。FeVO4@Zn In2S4光催化活性显著提高的原因主要有两个方面:一是独特的核壳结构,使得复合材料保留了Zn In2S4纳米片较强的可见光吸收能力以及FeVO4亚微米棒的电荷快速传输能力;二是异质结界面的电荷迁移遵循Z-Scheme电荷转移机制,既促进了光生载流子的有效分离,又保留了光生电子和空穴的强氧化还原能力。
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