纳米红磷异质结的制备及光催化去除水中污染物性能研究

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近年来,光催化技术因在能源环境领域的广泛应用吸引着国内外研究者的不断关注,该技术不仅可以将太阳能转换为化学能,而且可以部分实现污水净化等。目前,开发高效的可见光催化剂是该技术的研究热点。本文以商用微米红磷(Red phosphorus,RP)作为主要原材料,经处理得到纳米结构RP,将其与其他半导体复合构建高效的异质结光催化剂,随后用于同时去除水中重金属六价铬(Cr(Ⅵ))和有机污染物。主要研究内容及结果如下:(1)以商用微米RP为原材料,经研磨、筛分、水热和超声剥离得到纳米RP,即微米RP纳米化。对样品进行扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、比表面积、紫外可见漫反射(UV-vis DRS)、光电性能、光催化活性等表征发现,水热剥离后RP具有三维纳米结构,与商用RP(14.81 m2·g-1)相比具有更大的比表面积(36.79m2·g-1),其光吸收阈值为691 nm,具有较好的可见光响应能力。而且纳米RP的载流子密度与分离效率相比商用RP显著提高。将纳米RP用于光催化同时去除重金属Cr(Ⅵ)和有机污染物罗丹明B(Rh B),光照80 min后可同时将74.6%的Cr(Ⅵ)和73.5%的Rh B去除(Cr(Ⅵ)和Rh B的初始浓度分别为40 mg·L-1和20 mg·L-1)。(2)通过原位水热法得到RP/Sn S2复合光催化异质结(Sn S2为二硫化锡)。研究发现复合光催化剂的可见光响应能力增强,瞬态荧光、光电特性和光致发光光谱(PL)的测试结果表明复合样品载流子衰减寿命变短,分离和传输效率增加,载流子复合效率降低。最优样品光照50 min后对Cr(Ⅵ)和Rh B的同时去除率可分别达到92.0%和98.1%,活性相比RP和Sn S2单体有明显提升。这是由于复合光催化剂的光吸收能力增强,并且RP和Sn S2之间形成的异质结界面有助于载流子传输。(3)通过传统的高温热处理法制备RP/g-C3N4异质结(g-C3N4为类石墨相氮化碳),结果分析表明复合样品具有良好的光捕获能力和载流子分离性能。RP质量分数为50%的复合样品表现出最优的光催化性能,25 min内对Cr(Ⅵ)和Rh B的去除率分别可达到91.4%和99.5%。通过捕获实验揭示了光催化性能增强机理,光生电子(e-)和空穴(h+)同时分别参与Cr(Ⅵ)的还原反应和有机污染物的氧化反应,Cr(Ⅵ)和Rh B共存体系协同提高了光催化性能。此外,化学需氧量(COD)的分析结果证实有机污染物在光催化反应中被氧化为CO2,H2O和中间小分子产物。
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