多孔层球状钨酸铋基光催化剂的制备及可见光催化降解乙烯研究

来源 :华南农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:neckil77
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果蔬采摘后因储藏保鲜技术的不完善,导致每年都有大量的果蔬腐烂变质,造成巨大的经济损失。采摘后的果蔬仍保持生命活动,通过呼吸代谢产生乙烯,而乙烯(又称为植物催熟激素)是造成果蔬腐烂变质的主要原因之一,当环境中乙烯浓度超过果蔬的阈值浓度时,便会加速果蔬的成熟与衰老。因此,降低或去除果蔬贮运环境中的乙烯是果蔬贮藏保鲜技术领域中亟待解决的问题。钨酸铋(Bismuth Tungstate,Bi2WO6)被认为是铋基氧化物中具有最佳可见光催化活性的半导体催化剂之一,但是由于其光生载流子的快速复合以及可见光响应范围较窄等因素的限制,使单一Bi2WO6光催化活性受到抑制,为解决这一问题,本论文从控制Bi2WO6形貌以及对Bi2WO6修饰改性两方面入手来增大其比表面积、拓宽光谱响应范围以及抑制光生电子-空穴的复合,达到提升光催化活性的目的。采用XRD、SEM、UV/Vis-DRS、XPS、FT-IR、BET和PL等现代分析技术对样品进行表征,以乙烯气体作为目标降解物,对样品进行可见光催化性能评价。(1)采用水热法制备Bi2WO6光催化剂,考察水热反应温度、水热时间、前驱体溶液pH,煅烧温度等条件对乙烯可见光催化活性的影响,并对其晶相组成、微观形貌、光学性质等进行表征。结果表明,在水热反应温度120℃、水热时间12h、前驱体溶液pH=0.5,煅烧温度450℃条件下,Bi2WO6光催化剂经过各向异性生长以及自组装Ostwald ripening过程,形成由二维纳米薄片自组装的多孔层球状结构,微球平均直径约为3μm,分散性好,具有较小的晶粒尺寸(22.403nm),比表面积达到最大,为14.7686 m2/g,有效增大了与乙烯气体的接触面积,禁带宽度降至2.86eV,可见光响应范围被拓宽,表现出优异的光催化性能,在可见光下催化反应240min内乙烯的降解率达到13.69%。(2)以上一部分为基础,通过沉积法制备多孔层球状TiO2-Bi2WO6复合光催化剂,将商业TiO2(Degussa P25)均匀点缀在Bi2WO6微球表面,考察TiO2添加量对TiO2-Bi2WO6复合光催化剂可见光催化降解乙烯活性的影响,并对其晶相组成、微观形貌和光学性质进行表征。结果表明,随着TiO2的包覆,Bi2WO6晶体的生长受到抑制,晶粒尺寸减小,并且TiO2-Bi2WO6复合光催化剂晶体表面氧空位增加,Ti、Bi、W共享部分氧原子,形成Ti-O-W和Ti-O-Bi键,当TiO2添加量为10%时,纳米TiO2均匀包覆在多孔层球状Bi2WO6表面,Bi2WO6晶粒尺寸最小,为17.859nm,比表面积达到最大(21.874m2/g),禁带宽度被窄化至2.76 eV,吸收波长阈值拓展到449.8nm,并且PL强度最弱,有效阻止光生电子-空穴的复合,在可见光下催化反应240min内,乙烯的降解率高达20.90%,是单一Bi2WO6微球的1.53倍。(3)为进一步提高层球状TiO2-Bi2WO6复合光催化剂的光催化活性,在第二部分基础之上对其进行氧化石墨烯(graphene oxide,GO)掺杂改性,制备GO包覆型层球状GO-TiO2-Bi2WO6复合光催化剂,考察GO添加量对GO-TiO2-Bi2WO6复合光催化剂可见光催化降解乙烯活性的影响。结果表明:GO的加入使复合光催化剂的发光强度明显减弱,并且C原子取代TiO2晶格中的O原子,实现了晶格氧的置换掺杂,形成Ti-C键,当GO添加量为1.5%时,GO薄片较为均匀地附着在TiO2-Bi2WO6微球表面,同时复合光催化剂具有最大的比表面积(23.619 m2/g),禁带宽度减至最小(2.66eV),GO-TiO2-Bi2WO6复合催化剂的光催化活性最佳,光催化反应速率常数K′值最大(1.270?10-3min-1),在可见光下240min内对乙烯降解率高达25.04%,是TiO2-Bi2WO6复合光催化剂的1.20倍。
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