基于碘氧化铋的可见光催化剂的吸附与光催化性质研究

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近几年来,染料废水的污染已受到人们越来越多的关注,染料废水由于结构多样且成分复杂,因此寻找经济有效的处理技术成为当今环境保护的一大难题。光催化氧化技术作为高级氧化技术(AOP)的一种常用技术,具有应用范围广清洁无二次污染、催化活性高、价格低、可以实现催化剂重复利用等优点,被广泛应用于各种污染物的去除中。大量研究表明,选择具有可见光响应的催化材料可以实现对于太阳光的有效利用;同时,对可见光催化材料进行适当的改性,可以提高材料的光催化氧化能力。本文利用溶剂热法制备新型可见光催化剂碘氧化铋(BiOI)并与同族的具有较宽禁带宽度的氯氧化铋(BiOCl)进行复合。选取阳离子染料罗丹明B与阴离子偶氮类染料活性艳红X-3B作为目标物,研究了可见光催化体系中,BiOI与复合材料BiOI/BiOCl的吸附与降解能力,并详细考察了不同制备条件的影响,吸附行为,降解主要影响因素,探讨了材料的吸附机理以及复合材料催化性能提高的机理。主要内容归纳如下:(1)采用one-pot溶剂热法制备,制备温度对于材料的性能有显著的影响。材料的表征结果表明:用此种方法制备出的材料具有三维球状结构,直径范围在1-3μm,且这些微球是由无数纳米片状结构经过自组装形成的;通过XRD表征发现材料的结晶度不是很好,颗粒比较小;另外,材料的BET比表面积在33.9-81.3m2/g范围内,孔径属于中孔范围;BiOI与BiOCl在复合材料中得到了很好的复合,并且各种元素的价态没有得到改变;I/C1摩尔比为9/1的材料禁带宽度为2.06 eV,受光激发时光生电子和空穴的分离效率最高。(2)BiOI与BiOI/BiOCl-9/1材料对于罗丹明B具有明显的吸附作用,当温度为25℃时平衡吸附量可以达到55.0和64.0 mg/g,且温度对于RhB的吸附量影响不大,在实验选用的三个温度条件下,平衡吸附量并没有太大的变化;通过拟合,罗丹明B在两种材料表面的吸附等温线更符合Freundlich吸附模型,说明吸附过程属于多层吸附;吸附动力学符合假二级动力学模型,利用内颗粒扩散模型进行拟合,吸附过程可分为三个阶段;通过对吸附前后材料进行红外与电子能谱分析表征,推测可能的吸附作用力有三种,分别为:孔径作用、静电吸引与化学络合作用;同时发现两种材料对于阴离子与阳离子污染物具有不同的吸附能力,对于阳离子污染物的吸附效果好于对于阴离子污染物的吸附。(3)吸附过程作为前处理对目标物进行富集,提高光催化氧化过程中活性自由基的利用率来提高降解效率;BiOI与BiOCl复合材料当复合比为9/1时,对活性艳红X-3B的降解效率最好,表观速率常数为0.0133 min-1,当复合比逐渐增加时,材料的降解效率降低;材料的最佳投加量为1 g/L,pH在酸性条件下利于降解的发生;其主要作用的活性自由基为光生空穴:复合材料BiOI/BiOCl的光催化提高机理是由于经过复合后,价带位置由2.44eV变为2.55eV,而导带位置由0.54eV变为0.49eV,发生轻微的移动,作为降解过程中主要活性物种的光生空穴由于价带位置的降低低,从而电负性更强,所以氧化能力提高。
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