基于多酸电子调控作用构筑复合光催化剂去除水中典型污染物性能和机理研究

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光催化技术被认为是解决能源危机和环境污染最具潜力的一项新技术。因此寻找、设计和开发高效、稳定的光催剂就成为该技术应用的关键。目前的单一光催化剂普遍存在光响应范围较窄、电子/空穴复合严重光量子效率偏低、光稳定性不佳等缺点。半导体材料复合已被证明是解决上述问题的一条有效途径。多金属氧酸盐(POMs)具有与半导体相似的性质,此外还具有优良的光电性能、可调的氧化还原电位,可以多电子还原。但由于多数多金属氧酸盐在可见光下难激发,且易溶于极性溶剂,使其广泛应用受到限制。为此,本文利用具有紫外光活性的不溶性多金属氧酸盐与其窄禁带半导体材料复合,合成具有宽响应的复合光催化剂,同时期望利用POMs充当复合材料中的电子陷阱,促进复合光催化的载流子的分离,提高催化活性。基于以上考虑,本文将CdS和AgBr与杂多酸铯盐复合,构筑了一系列催化剂,对其进行系统表征;在实验室中模拟太阳光对其光催化性能进行评价,并对其去除水中污染物的机理进行了探讨。主要内容如下:(1)利用静电自组装-水热后处理合成了CdS敏化的纳米复合材料CdS/Cs3PW12O40。采用XRD研究了样品的晶体结构,FT-IR光谱表明复合催化剂中Keggin型多酸结构保留完好,电位滴定测定了复合催化剂的零电荷点。另外借助BET测定了样品的比表面积、孔结构等,通过SEM/TEM和EDX分析了样品形貌,利用XPS对元素的价态进行表征,采用UV-vis DRS分析了催化剂的光响应范围。最后,利用荧光光谱PL对其电荷分离性能进行表征。研究发现复合催化剂在紫外光和可见光照射下协同EDTA还原Cr(VI)具有较好的催化活性,并进一步研究了催化剂的水热处理温度、CdS的负载量、溶液p H、催化剂用量、Cr(VI)浓度和EDTA浓度对光催化还原Cr(VI)的影响。最后探讨了可见光下还原六价铬的机理。虽然循环实验中复合催化剂的活性有所下降,但是经过相应的处理后活性基本能够恢复。因此CdS/Cs3PW12O40是一种稳定、良好的紫外-可见光响应的催化剂。(2)采用简单的沉淀法,合成了Keggin型系列多酸盐(Cs2.5PW12、Cs3.5Si W12、Cs2.5PMo12)与溴化银的复合材料,借助XRD、FT-IR、SEM、UV-vis DRS和XPS对样品进行表征,并用电化学法研究了其电荷迁移及平带电位。通过在可见光下降解酸性大红(AR18)对催化剂性能进行评价。结果表明:AgBr与Cs2.5PW12和Cs3.5Si W12复合能显著提高其催化活性,而与Cs2.5PMo12复合催化活性无明显改善;AgBr/Cs2.5PW12与AgBr/Cs3.5Si W12对可见光催化降解AR18具有相近的活性。活性物种选择性抑制实验结果显示:在Cs2.5PW12和Cs3.5Si W12催化降解体系中·O2-,·OH和h+都参与AR18降解,但主要的活性物种是·O2-;而在Cs2.5PMo12催化降解AR18体系中,主要活性物质是·O2-和h+,·OH作用甚微。不同多酸盐与AgBr复合会影响催化剂的性能、最佳复合比以及最佳p H。最后根据不同POMs/AgBr复合体系能带位置以及催化降解AR18性能的不同对其机理进行了合理推测。
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