磷酸盐材料的结构调控及光催化性能研究

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磷酸盐是一类非常常见的无机材料,其中,PO43-拥有较大的负电荷和偶极矩,表现出很强的诱导效应。在光催化过程中,PO43-的诱导效应增强了对光生空穴的吸引,可以显著提高光生载流子的分离效率,从而提高光催化效率。因此,设计开发新型磷酸盐光催化剂或基于结构调控提高磷酸盐光催化剂的光催化性能具有重要研究价值。本论文主要研究了Ag3PO4、Cd5H2(PO44·4H2O、Cd5(PO42P2O7、Cd5(PO4)3OH几种磷酸盐材料的结构调控和光催化性能。具体研究内容如下:(1)室温下采用简单沉淀法制备了Ag3PO4/SiO2复合光催化剂。SiO2微球的载体效应提高了复合材料中Ag3PO4纳米颗粒的分散度,改变了Ag3PO4的表面结构,同时大大降低了Ag3PO4的含量。Ag3PO4/SiO2复合光催化剂表现出了优异的可见光光催化性能。Ag3PO4负载量为20%时复合光催化剂表现出最高的降解性能,约为纯Ag3PO4的2倍。活性提高的主要原因是复合材料的光生载流子分离效率提高及参与反应的活性物种h+和·O2-浓度增加。本文提出了一种通过廉价载体修饰策略提高光催化性能同时降低光催化剂成本的方法。(2)采用磷酸盐固化的方法将溶液中的无机金属离子Cd2+沉淀,得到了具有分级结构的Cd5H2(PO44·4H2O花状微球。详细探究了镉盐与磷酸盐种类以及溶液pH值对产物形貌和晶相结构的影响。将Cd5H2(PO44·4H2O花状微球进一步煅烧处理,得到Cd5(PO42P2O7分级微球。由于Cd5(PO42P2O7微球独特的分级结构和强的氧化还原能力,Cd5(PO42P2O7花状微球在紫外光照射下对RhB染料表现出优异的光催化降解性能和活性稳定性,其活性优于报道的Ca(PO4)6(OH)2和Ti2O(PO4)2(H2O)2光催化材料,与BiPO4相当。(3)在无模板剂或表面活性剂的情况下,通过简单水热法合成出了具有棒束、花生状和花状分级结构形貌的羟基磷酸镉(Cd5(PO4)3OH,Cd-Hap)。探究了初始反应溶液的pH值、反应温度及反应时间对Cd-Hap结构和形貌的影响,提出了分级结构的形成机理。进一步以Cd-Hap为载体,制备了Ag3PO4/Cd-Hap和CdS QDs@Cd-Hap两种复合光催化材料。Ag3PO4/Cd-Hap在可见光照射下对MO表现出了优异的可见光催化活性,当Ag3PO4负载量为15%时光催化活性最高。CdS QDs@Cd-Hap表现出了可观的可见光分解水产氢性能,当S/P摩尔比为7.5时,复合光催化剂催化产氢效率为1100μmol·h-1·g-1,是纯CdS纳米颗粒的5.5倍。
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