异质结铋系光催化材料的制备及其在降解污染物方面的研究

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半导体光催化因简单、高效、无二次污染、无选择性氧化的特点,被认为是解决环境污染最具潜力的技术之一。作为新型的铋系半导体光催化剂,BiOCOOH因独特的结构,在光催化领域有潜在的运用价值,逐渐引起研究者的关注。然而,BiOCOOH禁带宽度较大,只能吸收太阳光谱中的紫外波段,对太阳能的利用率低,限制了其实际运用。鉴于此,本文通过控制BiOCOOH的合成温度及采用半导体耦合方式改善BiOCOOH光催化降解活性。利用XRD、FESEM、FT-IR和UV-vis DRS等手段对催化剂的物相、形貌、结构及光吸收性能等进行表征。紫外-可见光下以四环素作为降解目标产物,筛选出最佳的耦合比例,并将其用作光催化稳定性、催化降解机理的研究。研究结果表明:1.采用水热法制备的BiOCOOH光催化材料具有片状结构,其结晶程度、光吸收性能受合成温度影响;180℃合成的BiOCOOH光催化活性最好,50 mg投入量能在50 min内几乎完全降解50 mL 10mg/L的四环素;参与BiOCOOH光催化降解四环素的主要活性物种为空穴(h+)和超氧自由基(·O?-);光催化剂的重复使用性较好。2.将g-C3N4与BiOCOOH耦合,制备出具有n-n异质结复合光催化剂g-C3N4/Bi OCOOH的降解性能显著提升。当g-C3N4与BiOCOOH质量比1:5时,表现出最好的光催化活性,其降解速率分别是g-C3N4和BiOCOOH的4.84和7.83倍;空穴(h+)和超氧自由基(·O?-)是降解的主要活性物种;光催化剂的重复使用性较好。3.将Bi2WO6与BiOCOOH耦合,制备出具有p-n异质结复合光催化剂Bi2WO6/BiOCOOH。由于p-n异质结的存在,提升了光生载流子的分离效率,该复合材料的光催化活性得到了明显地提升。二者质量比为1:1时,光催化活性最好,其降解速率是Bi2WO6与BiOCOOH的4.34倍和9.09倍;空穴(h+)和超氧自由基(·O?-)是降解过程中的主要活性物种;催化剂用量、四环素溶液浓度、盐效应、溶液pH等外部因素对光催化降解活性一定影响;光催化剂的重复使用性较好。4.一步水热法制备出具有p-n异质结复合光催化剂BiOCOOH/BiOX(X=Cl,Br,I)具有优异的光催化活性。由于p-n异质结的存在,提升了光生载流子的分离效率,该复合材料的光催化活性得到了明显地提升。KCl、KBr、KI的加入量分别为1.0、1.0和0.7 mmol时,制得的光催化剂表现出最好的光催化活性,50 mg的投入量均能够在35 min内有效地降解50 mL 20 mg/L的四环素;降解四环素的主要的活性物种为超氧自由基(·O?-)与空穴(h+);光催化剂的重复使用性较好。
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