基于Bi4NbO8Cl光催化材料的制备及性能研究

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全球工业发展所带来的环境污染问题已成为人类面临的最大的挑战之一,而半导体光催化材料能够利用太阳光,通过自身的催化氧化反应,使有机污染物降解为无毒无害的小分子物质。因此光催化技术的应用在解决环境污染领域具有广阔的应用前景。Bi4NbO8Cl作为一种典型的Sillén-Aurivillius型铋基化合物,合适的带隙宽度(~2.4 eV)赋予了其良好的可见光响应能力;而其层状结构产生的内建电场有利于光生载流子的分离,增加光生载流子的迁移效率;除此之外,Bi 6s孤电子对轨道的畸变使得O 2p轨道与Bi 6s轨道发生杂化使其价带位置更正,进一步提高了催化剂的催化氧化能力。因此,Bi4NbO8Cl是一种极具开发和研究潜力的可见光型光催化剂。本论文采用溶液燃烧法与固相法制备了纯相Bi4NbO8Cl,然后通过贵金属负载、半导体复合的改性方法对其进行调控,以进一步提高催化剂对太阳光的利用率及光生载流子的分离与迁移效率。并分别将其用于水溶液中有机污染物的降解及重金属离子的减毒等环境净化领域。主要内容如下:(1)采用溶液燃烧法制备了Bi4NbO8Cl,然后通过光还原沉积法负载Ag单质,构筑了Ag/Bi4NbO8Cl复合材料。通过TEM及XPS表征分析,表明Ag颗粒(~10nm)均匀分布在Bi4NbO8Cl表面。实验中分别选取有机染料罗丹明B(RhB)、亚甲基蓝(MB)、甲基橙(MO)以及重金属铬离子(Cr6+)作为目标降解物,研究了催化剂对不同污染物的降解能力,发现其对染料RhB的降解效率最优。在同种测试条件下,探索了不同Ag单质的负载比例对RhB染料降解效果的影响,3%Ag/Bi4NbO8Cl复合催化剂展现出了最好的光催化活性(3 h内对RhB降解效率达到了近99%)及较好的性能稳定性。这主要归因于Ag单质产生的表面等离子体共振效应(SPR)增强了复合材料在可见光的吸收能力,产生了更多的光生载流子;同时,Ag也扮演了电子陷阱的作用,抑制了光生电子和空穴的复合,促进了光生载流子的迁移速率,使得其光催化性能得以提高。(2)采用溶液燃烧法与溶胶凝胶法分别制备了Bi4NbO8Cl与NiTiO3,然后使用研磨、超声、煅烧的机械复合方法合成了不同比例的NiTiO3/Bi4NbO8Cl异质结复合催化剂。通过XRD、XPS、SEM、TEM、UV-Vis DRS以及Mott-Schottky曲线对复合物进行了物相、形貌、光学性能以及能带结构的分析。实验结果表明,机械复合方法能构建出NiTiO3均匀且紧密分布在Bi4NbO8Cl表面的复合材料。在NiTiO3,Bi4NbO8Cl以及不同比例NiTiO3/Bi4NbO8Cl催化剂样品中,10%NiTiO3/Bi4NbO8Cl复合催化剂拥有较为优异的降解RhB的性能。催化性能提高的主要原因可能是NiTiO3和Bi4NbO8Cl之间会形成II型异质结,促进了光生电子和空穴的分离,有效降低了复合材料中载流子的复合率,这可以从光致发光光谱(PL),荧光寿命(TR-PL)以及电子自旋共振谱(ESR)的实验结果中进一步证明。(3)采用高能球磨固相法合成Bi4NbO8Cl。然后以NbCl5为原料,通过溶剂热法在Bi4NbO8Cl上原位生成了BiOCl/Nb2O5,构筑了Bi4NbO8Cl/BiOCl/Nb2O5三元复合物。通过XRD、FTIR、HRTEM以及XPS等表征分析,推测在合成过程中,Bi4NbO8Cl作为Bi源提供了[Bi2O2]2+层与部分的Cl-生成BiOCl,而NbCl5作为前驱体生成了Nb2O5。当加入NbCl5的摩尔质量数为10%时,三相之间合适的能级匹配很大程度上抑制了电子空穴对的复合,增加了载流子的寿命,增强了催化剂的氧化能力,从而提高了复合催化剂降解RhB的性能。
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