WO3/g-C3N4复合材料的制备及其可见光光催化降解土霉素的研究

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光催化降解难降解有机污染物是一种很有前途的方法,也是一种经济有效的方法。光催化技术通过将污染物完全转化为CO2和H2O来去除难降解有机污染物,与传统的活性炭吸附或者生物降解等方法不同。在所有已知的光催化剂中,Ti O2由于其化学稳定性、高化学惰性、无毒性、低成本以及对大多数有机污染物的光降解能力而得到了广泛的研究。然而,有两个问题限制了二氧化钛的工业应用:(1)反应速率慢:光生电子和光生空穴的快速复合,导致光催化效率低。(2)太阳能利用率低:带隙为3.2e V的Ti O2只能在波长小于400nm的紫外光范围内产生光子激发,约占太阳辐射能量的4%。因此,寻找一种更有效的可见光驱动光催化剂是十分必要和迫切的。近年来,WO3作为一种可见光驱动的聚合物半导体材料引起了广泛的关注。WO3具有良好的电子结构和中等禁带宽度(2.5~2.8e V)以及良好的物理化学稳定性。WO3是一种n型半导体,属于酸性氧化物,在酸性和中性水溶液中稳定,易溶于强碱性水溶液,在水溶液中耐光腐蚀。这些独特的性质使WO3成为利用太阳能进行可见光光催化应用的一个有希望的候选材料,并被认为是Ti O2的替代品。为了增强WO3纳米材料的光催化性能,人们采用了许多策略来促进太阳光的收集,促进光诱导电子-空穴对的分离和传输。异质结结构是提高半导体光催化性能最常用的策略,它可以加速光致载流子的分离,拓宽系统的光响应波长。本论文围绕WO3展开了其对光催化降解有机物性能研究,并通过与g-C3N4复合构建异质结结构对其进行改性。通过水热法制备了WO3及g-C3N4/WO3复合光催化剂,通过XRD、XPS、SEM、TEM、PL光谱、UV-vis等多种表征方法对样品的形貌、结构、比表面积、元素组成和光电化学性能等进行分析。在氙灯模拟可见光下研究了光催化剂对土霉素(Oxytetracycline,OTC)的降解性能,并探讨了其光催化反应的机理。本论文的主要研究内容如下:(1)通过简单的水热法合成了六方相WO3光催化剂,分别添加Na Cl,柠檬酸,草酸,PABA(对氨基苯甲酸)作为结构导向剂,通过XRD、SEM、TEM、BET、XPS等表征方法,研究了添加不同结构导向剂对WO3晶体生长、形貌、结构、比表面积的影响。测试了在可见光的照射下各WO3样品对土霉素(OTC)的降解效率,讨论了吸附与催化降解的协同作用。结果表明,扫描电镜观察到的WO3-Na Cl样品的三维花状微球结构增加了其比表面积,使其具有最大的吸附性能,另外WO3-Na Cl样品具有最佳的光催化活性,在可见光照射下120分钟对土霉素的降解效率达到60%,这可以归因为吸附与降解的协同作用提高了其对于土霉素的去除率。(2)采用原位水热法,通过将WO3纳米棒负载在层状的g-C3N4上,成功合成了一种具有高吸附性和光催化活性的Z型异质结,用XRD、XPS、SEM、TEM、PL光谱、UV-vis对其进行了表征,测试了在可见光的照射下g-C3N4/WO3复合材料对土霉素(OTC)的降解效率,进行了循环实验探究其稳定性,并开展了复合材料的光电流性能测试和自由基捕获实验以揭示g-C3N4/WO3复合材料的光催化机理。结果表明,0.6g g-C3N4/WO3具有最佳的光催化活性,在可见光照射下120分钟对土霉素的降解效率达到86%,优于单组分的g-C3N4和WO3,且稳定性较好;将WO3负载在g-C3N4上,可增大材料比表面积以提高其吸附能力,也可加速光生电子的转移,有效地促进电子和空穴的分离,从而提高光催化效率。自由基捕获实验证明g-C3N4/WO3复合材料光催化降解的机理可能源于Z型异质结体系的形成。
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