镍磁性复合卤氧多铋光催化剂的制备及性能研究

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水是万物之源,是生物生长不可或缺的必要条件。然而,伴随着全球化和工业化的快速发展,包含大量有机污染物且未经处理的废水被毫无节制的排放到自然生态系统中,大大超出了水体的自净能力,对生态环境和人类健康均造成了严重的影响和不可挽回的危害。所以,水体中有机污染物的去除和防治势在必行。在现有的水污染处理技术中,半导体光催化技术因绿色安全、反应条件温和、效率高等优点,在消除环境污染物方面具有较大潜力。富铋型卤氧化合物BixOyXz(X=Cl、Br、I)由于具有柔性的层状结构和可调节的能带结构,被认为是一种新兴的光催化剂体系。为了能对富铋类卤氧化物进行全面分析,本文特选Bi12O15Cl6,Bi24O31Br10,Bi4O5I2作为三种不同量级的多铋进行具体研究。同时,为了对反应体系中的光催化剂进行有效、简便的回收,以达到重复利用和抑制二次污染的目的,本论文将Bi12O15Cl6,Bi24O31Br10,Bi4O5I2等卤氧多铋光催化剂分别与磁性半导体材料NiFe2O4复合,最终得到三种不同量级且性能优异的复合磁性光催化剂。通过模拟太阳光下罗丹明B(Rh B)溶液的降解效率来评估NiFe2O4质量比对复合物光催化性能的影响;并利用XRD、SEM、TEM、XPS、BET、UV-vis、PL、EIS、VSM等测试手段对材料的微观形貌和结构特征、光吸收特性及光生载流子复合、转移和分离效率和磁性能进行研究,基于上述结论并结合捕获实验的结果,最后综合阐明了复合光催化剂的光降解机理。采用水热法成功合成Bi12O15Cl6/NiFe2O4,NiFe2O4的质量比为5%的复合物具有最佳的光催化活性,光照90 min后Rh B的降解率可达98.2%,优于其他样品。结构及形貌测试表明,(312)晶面为实验制备Bi12O15Cl6/NiFe2O4光催化剂的择优取向晶面,Bi12O15Cl6/NiFe2O4复合物内部NiFe2O4以颗粒状包含在Bi12O15Cl6纳米片组成的团状结构内部。通过Bi12O15Cl6纳米片与NiFe2O4纳米颗粒直接结合形成异质结结构,可以降低光生载流子的复合速率、增强光生电子-空穴对的分离度并且提高传输过程中电荷转移效率。光催化机理研究表明,Bi12O15Cl6/NiFe2O4降解Rh B的过程不符合type-Ⅱ型电子传输机制,而是遵循Z型异质结机制。光催反应过程中超氧自由基(·O2-)作为主要活性物质活跃在反应进程中,其次是空穴(h+),最后是羟基自由基(·OH)。通过水热法成功合成了Bi24O31Br10/NiFe2O4磁性复合光催化剂,当NiFe2O4质量比为10%时,Bi24O31Br10/NiFe2O4复合物光催化性能最佳,40 min可降解99.8%的Rh B,优于实验组内其他样品。微观形貌和结构测试表明,NiFe2O4成功引入体系,并以颗粒状镶嵌在Bi24O31Br10纳米片中,两种半导体材料复合形成的异质结结构可以增加复合物的比表面积、拓宽光催化剂的吸收边波长、缩小带隙能、促进光生载流子的分离和转移,从而有益于材料光催化性能的提升。Bi24O31Br10/NiFe2O4复合光催化剂具有优异的磁性能和循环稳定性,经过五次回收后仍能达到90%以上的光催化降解效率。Bi24O31Br10/NiFe2O4复合材料中光生载流子的分离和复合过程遵循Z-scheme机制,且在降解Rh B的过程中·O2-、h+、·OH均作为活性物质参与了反应。利用简单水热法合成了Bi4O5I2/NiFe2O4复合物,当NiFe2O4质量占比为5%时,Bi4O5I2/NiFe2O4复合物的光催效果最佳,70 min可有效降解99.4%的Rh B溶液,优于纯Bi4O5I2(94.3%)。测试结果表明,微观层面上Bi4O5I2纳米片和NiFe2O4纳米颗粒已经具有了广泛的接触和融合,导致复合物Bi4O5I2/NiFe2O4比表面积的增加;Bi4O5I2/NiFe2O4磁性催化剂具有良好的磁性和重复稳定性,能够满足外磁体作用下的分离回收要求;Bi4O5I2与NiFe2O4之间构建了Z型异质结结构,这种结构有利于光生电子和空穴的分离和转移,降低了重组的可能性,有利于加快光催化进程,使得Rh B在·O2-、h+和·OH的共同作用下降解。
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