锑酸银基半导体材料的水热制备及其光催化性能

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印染、造纸、医药等工业在改善人们生活的同时,也带来了严重的废水污染问题,这些工业废水中富含的有机物,对人体和其他生物危害极大,且很难在自然环境中被微生物降解,在排放前需要进行有效处理。半导体光催化剂能将难降解有机物直接分解为二氧化碳与水,同时自身无损耗,被誉为“当今世界最理想的环境净化技术”。锑酸银半导体能被可见光或室内光源激发出光生电子和空穴,能有效利用太阳光能,是最有价值的光催化剂之一。但是,单一锑酸银半导体由于氧化还原电位较低,且光生电子与空穴易复合,光催化效率不高。因此,探讨降低其光生电子与空穴复合率,提高其光催化效率,是锑酸银基光催化剂研究的重要方向。迄今为止,锑酸银复合光催化剂的制备方法大都采取先合成锑酸银,再以锑酸银颗粒为基础,再复合其它半导体的两步法技术路线。一般而言,制备步骤越少,则投产时所需要的设备、厂房、员工等成本越少,经济效益就越高。因此,进行流程优化,探讨一步制备锑酸银基光催化剂的技术路线非常重要。本论文围绕提高锑酸银基光催化剂的光生电子-空穴分离效率、简化制备流程两个核心问题,采用一步水热合成技术,制备了银负载型Ag/Ag1.69Sb2.27O6.25二元复合材料、石墨烯增强型graphene@Ag/Ag Sb2O5.18三元结构复合材料、银增强型Ag2S/Ag/Ag Sb2O5.18三元结构复合材料以及Ag3PO4/Ag/Ag Sb2O5.18Z型三元结构异质结。并以罗丹明B(Rh B)和盐酸四环素(OTC-HCl)为被降解物,研究了锑酸银基复合半导体的光催化性能及其机理。具体研究内容如下:(1)Ag/Ag1.69Sb2.27O6.25银负载型半导体的制备、表征及其光催化性能。利用水热法一步合成了Ag/Ag1.69Sb2.27O6.25芝麻球形纳米复合材料;对其形貌、粒径和结构进行了调控合成;揭示了水热体系中Ag+被还原成单质银的反应机理;研究了Ag/Ag1.69Sb2.27O6.25及其烧结产物的光催化性能,发现Ag/Ag1.69Sb2.27O6.25-900(900℃煅烧)具有比Ag/Ag1.69Sb2.27O6.25更强的光催化性能,其在300 W氙灯照射下反应120 min,能分别降解42.5%的Rh B和66.8%的OTC-HCl;提出了表面等离子体增强型Ag负载Ag1.69Sb2.27O6.25结构模型,并基于该模型揭示了Ag/Ag1.69Sb2.27O6.25的光生电子和空穴迁移规律。(2)Graphene@Ag/Ag Sb2O5.18石墨烯增强型光催化材料的制备、表征及其光催化性能。利用水热法一步合成了三元结构的graphene@Ag/Ag Sb2O5.18复合光催化剂;揭示了水热体系中金属银负载Ag Sb2O5.18复合体被片状石墨烯包覆,形成graphene@Ag/Ag Sb2O5.18的机理;基于艾林汉姆图,揭示了金属银和石墨烯在煅烧过程中的反应规律;光催化性能研究表明,复合了石墨烯的G@Ag/ASO显示出优良的光催化性能,对其煅烧能更进一步提升其光催化性能。G@Ag/ASO-500光催化性能最强,在氙灯照射120min下,约80%的Rh B和约85%的OTC-HCl能被分解;提出了石墨烯增强型Ag负载Ag Sb2O5.18结构模型,并基于该模型揭示了graphene@Ag/Ag Sb2O5.18的光生电子和空穴迁移规律。(3)Ag2S/Ag/Ag Sb2O5.18银增强型光催化材料的制备、表征及其光催化性能。利用水热法一步制备了Ag2S/Ag/Ag Sb2O5.18粉末材料;将Ag2S/Ag/Ag Sb2O5.18粉末材料进行了250℃温度的煅烧制备;从理论上论证了250℃温度的煅烧能得到银增强型Ag2S/Ag/Ag Sb2O5.18-250;光催化实验结果表明,Ag2S/Ag/Ag Sb2O5.18-250光催化降解性能优良,在氙灯照射120 min下,分别有85%的Rh B和78%的OTC-HCl被分解。提出了Ag2S/Ag/Ag Sb2O5.18的等离子体-Z型异质结模型,并基于该模型解释了Ag2S/Ag/Ag Sb2O5.18的电子-空穴转移规律。(4)Ag3PO4/Ag/Ag Sb2O5.18Z型异质结光催化材料的制备、表征及其光催化性能。采用一步水热合成技术制备了单分散球形Ag3PO4/Ag/Ag Sb2O5.18复合材料;通过添加表面活性剂对Ag3PO4/Ag/Ag Sb2O5.18复合物进行了调控合成,得到了不同形貌和粒径的Ag3PO4/Ag/Ag Sb2O5.18复合物;将Ag3PO4/Ag/Ag Sb2O5.18复合材料进行了煅烧,得到了不同温度下煅烧的样品;光催化性能研究结果表明,Ag3PO4/Ag/Ag Sb2O5.18的光催化性能均比其单体要强,煅烧能提高Ag3PO4/Ag/Ag Sb2O5.18的光催化性能,在氙灯照射90 min下Ag3PO4/Ag/Ag Sb2O5.18-250能分别将90%的Rh B和98%的OTC-HCl分解掉;提出了Ag3PO4/Ag/Ag Sb2O5.18Z型异质结半导体模型和电子空穴转移机理。本文系统研究了四种锑酸银半导体光催化剂的设计、合成、结构表征,研究了其对印染工业废水中富含的罗丹明B和医药工业废水中富含的盐酸四环素的光催化降解性能,研究成果将有望应用于包装印刷、织物印染、生物医药等工业的废水处理。
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