光活性微纳米功能材料的控制合成及光催化降解应用

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光催化反应是光和物质间相互作用方式之一,在降解水中有机污染物领域得到广泛应用。光催化降解反应的优点是:光催化剂具有廉价、无毒及可重复利用等特点;不需要向体系中再加入其他电子受体;能够直接以太阳光作为能量来源。现有的TiO2等光催化剂由于自身结构和性能的局限,只能吸收短波长的紫外光,利用可见光产生量子的效率极低。因此,探索以可见光为能量来源的新型光催化剂,具有重要理论研究价值和实际意义。  本文以新型可见光催化剂Ag3PO4为研究对象,开展了如下工作:  1.多孔道结构Ag3PO4微晶的生物协同模板制备及光催化、抗菌性能研究利用生物协同模板法,在室温条件下分别制备出了具有松树、染色体、六角十字状和陀螺状等不同形貌的Ag3PO4微晶,使用XRD、TEM、SAED、SEM、XPS、EDS、UV-Vis、FT-IR、BET和Raman等手段对产物形貌、结构、光学性质和比表面积等进行了系统表征。在Ag3PO4微晶的生长过程中,生物协同模板有效控制了产物的形貌和结构,制备出的Ag3PO4微晶具有多孔道结构。通过对罗丹明B溶液的降解实验和对大肠杆菌DH-5α的抗菌实验发现,这些孔道能够有效提高Ag3PO4微晶的光催化与抗菌活性,这些微晶结构本身可以看作是一种高活性的微反应器。另外,本文还对Ag3PO4微晶的生长机理进行了详细探讨,提出通过晶面吸附-脱附有机试剂来形成孔道的理论,这对无机晶体的控制合成具有借鉴价值。  2.Ag3PO4微晶的螺位错驱动-动态模板法制备及光电子活性研究  Ag3PO4作为可见光催化剂,光生电子和光生空穴活性的高低直接决定Ag3PO4光催化性能的好坏。Ag3PO4的导带能位低于H+/H2O的电位,无法将H2从H2O中直接还原出来,只能作为半光催化剂。光生空穴通过氧化作用分解水获得氧气,而光生电子需要牺牲剂来吸收。因此,探讨如何利用Ag3PO4光生电子的催化活性,将有利于开拓Ag3PO4光催化剂新的应用领域,而目前尚无相关研究报道。  本文通过研究Ag3PO4微晶对丙烯酰胺分子的光催化聚合反应,发现Ag3PO4的光生电子具有很高的催化活性,这些光生电子能够通过Ag3PO4的导带与丙烯酰胺分子发生作用,生成高活性自由基,进而使丙烯酰胺分子发生聚合,得到聚丙烯酰胺分子。  由于丙烯酰胺聚合反应在Ag3PO4微晶的表面进行,聚合反应引起的能量变化对晶体的生长产生重要影响。本文在理论研究与对比试验的基础上,认为Ag3PO4微晶的光生电子催化作用使得丙烯酰胺分子聚合为聚丙烯酰胺分子,而这个聚合反应所引起的能量变化又使得Ag3PO4微晶的形貌发生转变,提出了晶体的螺位错驱动-动态模板生长理论。  3.纳米Ag3PO4单晶的光辐照控制合成及连续式光降解反应器的构建  Ag3PO4自身会在光催化反应中分解,降低使用寿命。为了解决这一科学问题,本文创造性地提出采用光控合成的方式,通过改变辐照光的波长来控制反应体系接受的光照能量,获得了一系列纳米单晶团簇。由于组成纳米团簇的单晶具有较低的晶面能({220}晶面),从而有效提高了Ag3PO4晶体的稳定性,延长了催化寿命。同时,这些纳米单晶通过自身水解,能够在晶体周围产生一定数量的Ag+离子作为牺牲剂,接受产生的光生电子,这也将有助于提高Ag3PO4的光催化效率。  另外,本文利用Ag3PO4纳米晶簇作为催化剂设计出连续式光降解反应器,以太阳光为光源,利用短短5分钟时间,即可完成进入污水→流出清水这一高效降解过程,并对其催化作用机理进行了详细探讨。  综上,本文主要针对Ag3PO4微纳米功能材料进行了制备、性质、应用等研究,对晶体的生长机理、结构调控以及如何提高光催化降解效率等方面进行了深入探究,取得了一些原创性成果,为开发高活性、长寿命的Ag3PO4微纳米可见光催化剂奠定了理论研究基础;研究结论对于Ag3PO4微纳米材料在可见光催化领域的实际应用具有参考价值。
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