新型复合BiOX(X=Cl,Br,I)光催化剂的制备及其光催化性能的研究

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BiOX(X=Cl、Br、I)作为一类新兴的半导体光催化剂,具有特殊的层状结构和高化学稳定性。铋氧层与卤原子层间存在的较强内在电场,能够有效促进光生电子-空穴对的分离,因而表现出良好的光催化性能,近年来引起人们的广泛关注。然而,由于BiOCl带隙较宽,只能吸收紫外光,而太阳光中的紫外光占的能量不足4%,而能量占60%的可见光却无法使用,这限制了其对太阳能的有效应用。另外,尽管BiOBr和BiOI能够吸收可见光,但它们的光催化活性还满足不了光催化在实际环境污染治理中的应用。因此,如何通过改善BiOX的组成、结构的研究来提高其光催化性能,是目前需要解决的问题。本文针对目前BiOX光催化性能的不足,通过光化学沉积法和煅烧法分别制得一系列贵金属(Ag、Pd、Pt)/BiOX和BiOBr/BiOCl复合光催化剂。采用XRD、N2物理吸附、SEM、TEM、DRS、PL和XPS等手段对合成的催化剂进行了表征,并以典型染料酸性橙II为模型污染物,考察了催化剂的光催化降解性能。对催化剂的组成,物理结构和光催化性能之间的关系和光催化促进机理进行了探讨。主要研究内容如下:1.考察了系列贵金属M(M=Ag, Pd, Pt)沉积对BiOX物理结构,光吸收性能及光催化性能的影响规律。系统研究了贵金属Ag、Pd、Pt的含量对BiOX的晶体结构、形貌、光吸收性能及光催化降解酸性橙II活性的影响。结果表明,贵金属的沉积对BiOX的形貌无明显影响;沉积适量的Ag能降低BiOCl和BiOBr的禁带宽度,但却增大了BiOI的禁带宽度;沉积适量的Pd能降低BiOX的禁带宽度;沉积适量的Pt能降低BiOCl的禁带宽度;另外,金属态的贵金属纳米粒子可作为电子陷阱俘获光生电子,加速BiOX上光生电子-空穴对的分离,从而有效提高了它们的光催化活性。2.研究了与BiOBr耦合形成半导体异质结对BiOCl光催化剂的结构、光吸收性能及光催化性能的影响。结果发现BiOBr的复合使BiOCl的吸收边稍向可见光区移动,同时降低了BiOCl的禁带宽度;BiOBr/BiOCl异质结的形成能有效降低光生电子-空穴的复合率,从而有利于光催化活性的提高。当煅烧温度为200℃,复合BiOBr的质量分数为4%时,光催化活性最强。以上研究表明,通过合适的贵金属沉积和半导体耦合形成异质结,可以改善它们对光的吸收性能,并有效地提高了BiOX的光催化性能。这为提高BiOX的光催化性能提供了理论依据和技术支持。
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