全光谱响应的ROQDs/Bi2WO6/CQDs异质结纳米片的构筑及光催化性能研究

来源 :哈尔滨师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hyman_han
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半导体光催化技术,是解决日益增长的环境污染和能源危机问题的有效手段。超薄钨酸铋(Bi2WO6)基材料以其独特的结构和光电性质、强光响应和合适的能带结构,已经成为优良的备选材料。针对Bi2WO6基光催化材料存在的太阳能利用率低、氧化还原能力弱、高载流子复合率和可见光催化活性低等实际问题,开展全光谱响应的Rh2O3-QDs/Bi2WO6/CQDs异质结纳米片的构筑、光催化性能及协同机制研究。基于不同组分的协同优势构建的三元(3C)异质结,可控合成全光谱响应的二维层状结构的新型高效光催化剂,为太阳能光催化技术应用提供高效稳定的无机纳米复合新材料;揭示Rh2O3-QDs和CQDs协同修饰提高Bi2WO6纳米复合材料光催化降解水中有机污染物的协同作用机制,为进一步开发高效降解水中有机污染物光催化材料提供新策略。分别在Bi2WO6上修饰了尺寸约为6 nm的Rh2O3纳米粒子和直径约为8 nm的CQDs,形成独特的二元异质结构。以二维Bi2WO6纳米片为基底,Rh3+为Rh源,运用光沉积技术合成出Rh2O3-QDs/Bi2WO6 p-n异质结纳米光催化剂,考察了修饰量和光照时间对样品降解4-CP活性的影响,确定Rh2O3-QDs修饰量0.7 wt%和光照时间5 h为最优工艺条件,实现了在可见光照射下,60 min内对4-CP降解率达到70.36%,为Bi2WO6的4.5倍;以Bi2WO6和CQDs为前驱体,采用水热法,合成出n-n型CQDs/Bi2WO6异质结构,考察CQDs制备条件和修饰条件对样品光活性的影响。200℃1 h制备出的CQDs在150℃水热6 h,修饰量为7 wt%条件下,对4-CP的可见光降解性能最高为纯Bi2WO6光催化剂的3.2倍。分别采用XRD、TEM、XPS、FT-IR、BET、DRS及电化学测试等手段,分析了Rh2O3-QDs和CQDs单修饰对Bi2WO6的表面组成、能带结构、比表面积及孔径、光吸收能力和载流子分离效率的影响,并探究二元异质结构光催化活性增强机制。通过光沉积和水热联合技术,分别将氧化铑量子点(ROQDs)和碳量子点(CQDs)可控地组装在片状Bi2WO6的[Bi2O2]2+面上和[WO4]2-层边缘上,构建全光谱响应的ROQDs/Bi2WO6/CQDs三元异质结构。0.1%ROQDs/Bi2WO6/4.2%CQDs样品,在可见光(420 nm<λ<780 nm)照射下对4-CP的光催化(Kapp=2.15×10-2min-1)表现出最佳的光催化活性,约为纯Bi2WO6(Kapp=2.26×10-3 min-1)的9.5倍。ROQDs修饰对提高λ>420 nm可见光下的光活性起主导作用,而CQDs修饰对λ>550 nm可见光下的光活性起决定性作用。在ROQDs/Bi2WO6和CQDs/Bi2WO6异质界面的内建电场以及作为电荷转移通道的紧密界面对促进电荷载流子分离和降低电荷转移电阻产生了显著的协同效应。更重要的是,形成Z型ROQDs/Bi2WO6异质结增强了光生空穴的氧化能力,导致h+和·OH对降解4-CP的贡献大于·O2-。此外,ROQDs和CQDs协同修饰进一步提高了光吸收能力,增大了比表面积、孔体积和平均孔径,增加了表面羟基和氧吸附量。ROQDs/Bi2WO6/CQDs可见光活性大幅增强是上述因素协同作用的结果。本研究为开发高效的三元异质结光催化剂用于环境净化和太阳能转换提供了一条可行的途径。
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