BiOX(X=Cl,Br)光催化剂的改性及其光催化性能的研究

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半导体光催化技术是一种“绿色环保、高效低廉”的污染物处理技术,在空气净化和有机废水处理等方面展现出了优异的应用前景,是当今环保和能源领域的研究重点。此技术推广和应用的关键在于新型半导体光催化材料的研发以及对太阳光的有效利用。近年来,卤氧铋(BiOX)光催化剂,由于其独特的开放式层状结构和间接跃迁模式,具有较好的光生电子-空穴对分离率及光生载流子转移率,进而表现出了较好的光催化活性,受到了科学界的广泛关注。但其中BiOCl只能响应360nm以下的紫外光,而BiOBr也仅仅把光响应范围拓宽至了430nm左右,相对于波长范围广阔的太阳光,两者的光利用率仍然很低,这极大地制约了此类催化剂的实际应用进程。故近几年来,越来越多的科研者开始关注于如何采用简单有效的改性方式来实现对BiOX系列光催化剂光响应范围的拓展,从而提高其光催化活性,加快其实际应用步伐。本文即在此研究背景下,以BiOCl和BiOBr为研究对象,在常温下分别采用简单的离子掺杂、化学计量比调控等方法对两者进行了改性,制得了可见光响应能力更强、光催化活性更好的Sn(x%)-BiOCl和Bi4O5Br2光催化剂。并通过X-射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、X-射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、N2吸附-脱附等温线测试、紫外-可见漫反射光谱(DRS)等表征手段对所制材料的物化性能进行了表征分析;此外还分别考察了Sn(x%)-BiOCl和Bi4O5Br2催化剂在模拟太阳光或可见光下对于不同降解物的降解活性。具体结论如下:1.采用氧化还原法,成功制备出Sn掺杂BiOCl光催化剂,其中:1)所制得的Sn(x%)-BiOCl光催化材料属于四方晶系,具有由纳米片组成的大小尺寸不均匀的薄片状结构,其中Sn以+4价掺入,且Sn的掺入对晶体结构无明显影响,但会使得BiOCl禁带宽度减小,光响应能力增强。2)在可见光降解罗丹明B(RhB)和模拟太阳光降解苯甲酸(BA)的实验中,Sn掺杂后的BiOCl光催化剂均表现出了比纯BiOCl更好的光催化活性,并在Sn掺杂量为10%时达到最佳,且此类催化剂拥有很好的光化学稳定性。这主要归功于其强的光响应能力和Sn的捕获电子能力。3)在BA降解过程中,Sn(10%)-BiOCl催化剂的最佳用量为0.4g·L-1,主要活性物种是空穴(h+)和溶解氧。2.采用简单的醇解法,合成了一种新型光催化剂Bi4O5Br2,其中:1)所合成的Bi4O5Br2光催化剂属于单斜晶系,具有由微纳米片组成的块状结构,比表面积为62.25m2·g-1,孔径约为12nm,带隙能为2.36eV。2)在间苯二酚(RC)、双酚A(BPA)及苯酚(phenol)的降解实验中,分别经可见光150min、180min和600min照射后,Bi4O5Br2光催化剂对三种物质的降解率分别达到了95.0%,97.1%,93.4%,而在相同条件下、相同方法制得的BiOBr对三种物质的降解率只达到11.4%,16.9%和5.7%,传统P25对三者的降解率可达8.5%,42.7%和20.9%。这主要是由于Bi4O5Br2光催化材料拥有较小的颗粒尺寸、较大的比表面积以及较小的禁带宽度。3)通过可见光降解RC的实验发现,在此过程中RC的最佳初始浓度为10mg·L-1,Bi4O5Br2催化剂的最佳用量是2.0g·L-1,且在降解过程中起主要作用的活性物种是·O2-和h+,同时此种催化剂也表现出了很好的光化学稳定性,经五次循环使用后降解率仍可达到95%左右。
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