钒酸铋基复合光催化剂的制备及其在废水处理中应用的研究

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中国人口众多,农业与畜牧业都比较发达。因此,我国大量使用抗生素而在环境中造成的极大的残余对人们的健康产生了严重的危害。与传统的处理方法(如物理和生物处理技术)相比,光催化氧化法利用光催化半导体在光照下产生的活性物质,可以将废水中的抗生素完全降解。同时,它还具有反应过程简单、反应成本低等优点。钒酸铋是一种铋系光催化半导体,以其高稳定性和良好的可见光响应性能在众多光催化剂中脱颖而出。然而,由于纯BiVO4在光催化反应中产生的光生电子-空穴对容易复合,所以在一定程度上影响了它的光催化效果。本文通过将钒酸铋与光催化半导体进行复合改性,制备出Fe3O4/MoS2/BiVO4、Ag3PO4/Cu-BiVO4以及AgI/ZnIn2S4/BiVO4三种复合光催化剂。通过XRD、SEM、FT-IR、UV-vis、XPS、光电流响应以及EIS等表征对其的性质进行研究。在氙灯的照射下,以盐酸四环素(TC)为目标污染物,进行光催化实验研究样品对TC的降解能力。通过循环实验研究样品的稳定性和可重复利用性能。提出样品光催化性能提升的机理并通过捕获实验进行验证。本文主要研究内容如下:(1)通过水热法制备出磁性Fe3O4/MoS2/BiVO4复合光催化剂。发现样品在光催化反应中对TC的降解率远高于纯BiVO4。以铋钼摩尔比为30的条件下制备的样品对TC的降解率可达85%,光催化性能最好。捕获实验和ESR结果表明样品在光催化反应中产生了·OH、h+和·O2-三种自由基,并由三种自由基共同对TC进行降解。由于加入了Fe3O4,使得样品具有良好的磁性,可在外部磁场的作用下快速回收,经过5次重复利用时仍可对TC有着较高的降解率。样品光催化性能提升的原因是MoS2和BiVO4复合后形成了p-n异质结构,可以加速光生电子-空穴对的分离,延长了光生载流子的寿命。(2)通过水热法和原位沉淀法制备出Ag3PO4/Cu-BiVO4复合光催化剂。当铋银摩尔比为2时,制备出的样品的光催化性能最好。通过UV-vis结果得知,样品的吸收边带发生了红移,提高了对可见光的响应范围和利用效率,与瞬态光电流响应和EIS结果一致。在120min的光催化反应中,对TC的降解率可达91.6%,并且能在30min内彻底降解罗丹明B染料废水。对样品进行了循环实验,结果表明样品具有良好的稳定性和重复利用性能。最后,对样品光催化性能提升的机理进行了探讨。得出的结论是由于Ag3PO4/Cu-BiVO4复合光催化剂掺杂了Cu2+并且形成了交错间隙型异质结构,可以加快光生载流子的转移速率,提高光生电子-空穴对的分离速率并且对其的复合起到了抑制的作用。(3)通过水热法和原位沉淀法制备出AgI/ZnIn2S4/BiVO4复合光催化剂。将纯AgI、纯BiVO4和样品在可见光下进行光催化反应,发现样品对TC的降解效果以及降解速率都远高于两种纯物质。当BiVO4与AgI的摩尔比为1时,制备出的样品对TC的降解率可达83%。通过对样品进行的循环实验证明,样品具有良好的稳定性,可以多次高效的光催化降解TC废水。通过捕获实验发现样品在光催化反应过程中产生了h+和·O2-两种自由基,并由这两种自由基参与对废水中TC的降解。样品光催化性能提升的原因是形成了三元Z-scheme型异质结构,可以使电子在样品内部更高效的进行传递,提高了光生电子-空穴对的分离效率。
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