纳米还原氧化钨/钼基光催化剂的合成、全谱光催化性能及其机理研究

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多年来,高效利用丰富、清洁的太阳能光催化降解有机污染物处理废水一直是全球学者研究的热点之一,但目前广泛研究的光催化剂主要是利用紫外或可见光,而近红外光(占太阳光能量50%)响应的高性能光催化剂却十分稀缺,因此,寻找紫外-可见-近红外(UV/Vis/NIR)波段响应的高效全谱光催化剂一直是当前环境光催化研究领域的巨大挑战,此外,尽管太阳光中NIR光热效应十分显著,但此前全谱光催化剂研究中温度对有机污染物去除性能的影响从未涉及。从寻找并合成UV/Vis/NIR响应的高效全谱催化剂出发,本论文基于机械化学法合成的二水合三氧化钨纳米片与碳酸盐的热还原拓扑转化固相反应,合成了K0.2MxWO3(M=Li,Na),并首次通过溶液燃烧法结合热还原合成了纳米二氧化钼和氮掺杂还原石墨烯复合(MoO2/N-rGO),系统研究了其降解RhB溶液的全谱光催化性能、M离子、温度的影响及其可能的催化机理。研究发现:K0.2MxWO3(M=Li,Na)是一种降解RhB的UV/Vis/NIR响应的高性能光催化剂,随着K0.2MxWO3(M=Li,Na)中M的加入,在UV/Vis/NIR照射下催化活性显著增强。当X=0.3时,催化活性最强,XRD分析可知K0.2M0.3WO3存在K0.3WO3和M2W2O7(M=Li,Na)两种物相,构成了异质结结构,增强了光催化活性。当RhB溶液温度为30oC时,180min内,K0.2Li0.3WO3在紫外光、可见和近红外光单独辐照下,分别可去除溶液中95.1%、94%和92.2%的RhB。在相同温度下,K0.2Na0.3WO3去除速率比K0.2Li0.3WO3快,120min内K0.2Na0.3WO3在紫外、可见和近红外光照射下分别可去除溶液中92.6%、93.1%和90.6%的RhB。MoO2/N-rGO表现出优异的紫外-可见光-近红外响应的光催化性能和近红外光催化稳定性,在紫外、可见和近红外光辐照下120min分别可去除溶液中93.4%、91.7%和92.7%的RhB,远高于MoO2的58.7%、32.8%和29.6%,可归因于N-rGO能增强催化剂的光吸收能力,并有效抑制光生电子和空穴的复合。MoO2/N-rGO在近红外光辐照下经过5次循环后仍可以去除溶液中81.9%的RhB。温度影响的研究发现,在紫外、可见和近红外光辐照下,RhB溶液温度的提高有助于增强K0.2M0.3WO3和MoO2/N-rGO的吸附性能和和光催化降解活性,加速了溶液中RhB的去除速率。活性自由基清除剂实验表明两类光催化剂降解RhB过程中均产生了起到重要作用的O2·-、·OH和h+自由基。总之,本论文发现并通过两种简单的方法合成了两类新颖的高效全谱光催化剂,系统地研究了光催化过程中温度升高对去除水中有机污染物的协同增强效应,为全谱催化剂充分利用光热效应在太阳光下高效去除水中有机污染物提供了有价值的依据。
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