甲酸氧铋系光催化剂的制备、改性及其性能研究

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鉴于光催化技术能够同时解决环境污染和能源危机两大问题,通过光催化技术去除污染物受到越来越多的关注。寻找一种简便绿色、成本低的光催化剂合成方法,以及对现有光催化剂进行有效改性,对光催化技术的实际应用具有重要研究意义。本文选用层状光催化剂甲酸氧铋(BiOHCOO,记为BiOR)为研究对象,对其合成和改性做了一系列研究工作。主要研究内容如下:(1)以五水硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O)和甲酸钠(HCOONa)作为原材料,采用室温溶液法通过添加形貌调控剂尿素或表面活性剂聚乙二醇1500,改变乙二醇和水的体积比例等制备了不同形貌的BiOR纳米材料,结果表明,不同形貌的BiOR在紫外光下对染料罗丹明B(RhB)的降解效果显著。其中,在纯水溶液中,室温下搅拌5 h制备的3 D管状BiOR在可见光条件下对RhB光催化活性相对最好,另外,从环保方面考虑,选此样品进行后续研究。(2)由于纯BiOR禁带宽度大,不能有效吸收可见光。利用室温共沉淀法,同时向均匀分散的Bi(NO3)3·5H2O的水溶液中加入溴化钾(KBr)或碘化钾(KI)和HCOONa,搅拌5 h制备复合样品。实验结果表明,当Br-/Bi3+=0.6时,得到管状BiOBr/BiORBr-0.6S型异质结,该样品在可见光下对污染物孔雀石绿(MG)、RhB和四环素(TC)都显示优异的光催化活性。异质结样品光降解效率的提升主要得益于固溶体BiORBr-x的形成,不仅拓宽了样品可见光吸收范围,更重要的是,固溶体中适合的Br含量能够优化能带结构,将复合样品从传统的I型异质结BiOBr/BiOR转变为S-型异质结BiOBr/BiORBr-x。此外,BiOBr纳米片与BiORBr-x管状分层结构的纳米片之间紧密接触的界面也促进了光生电子-空穴对的快速转移,从而使样品对多种污染物的光催化活性大大提高。另外,当I-/Bi3+=0.6时,得到BiOI/BiOR p-n型异质结,p-n结的构建提高了光生载流子迁移率,使得光催化活性优于单相半导体。(3)基于以上研究结果,向均匀分散的Bi(NO3)3·5H2O的水溶液中一步加入KBr、KI和HCOONa,通过分别固定Br-/Bi3+和I-/Bi3+摩尔比,改变I-/Bi3+和Br-/Bi3+进行共掺杂改性以实现两种卤素改性的协同效应。结果表明,当Br-/Bi3+=0.6,I-/Bi3+=0.2时,得到的复合催化剂BiOBr/BiORI0.2Br0.6在可见光驱动下对TC的降解效率最高,超越了单一卤素改性的复合样品。主要归因于该复合样品除了具有匹配度更高的能带结构之外,由于KI的加入,复合样品的比表面积大大增加,能提供更多的活性位点,从而提高光催化活性。
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光催化技术是目前治理环境污染和解决能源危机的主要方法之一。开发有效的光催化剂一直是光催化技术实际应用中要解决的最关键的问题之一。由于纯或单组分半导体作为光催化剂的缺点是光生电荷载流子快速复合且光吸收范围有限,因此已采用各种策略来改善其光催化性能。目前,形貌调控和异质结的构建被认为最简单有效的方法之一。本文主要采用室温搅拌法和水热法,分别制备了BiOBr/[Bi6O5(OH)3](NO3)5·3H2
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