钨酸铋及其复合材料的制备与光催化还原Cr(Ⅵ)研究

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六价铬Cr(Ⅵ)是在水中检测到的最具毒性的无机污染物之一,被认为是致癌和致突变的物质。光催化剂技术因其经济环保的优点而应用于Cr(Ⅵ)的还原,但是在光催反应中电子和空穴的高复合会导致效率下降。为解决这一问题,本研究采用了具有Aurivillius层状结构的Bi2WO6作为基础材料,通过溶剂热法制备复合材料进行Cr(Ⅵ)的还原。Bi2WO6虽然具有独特电子结构和出色的光学性能,但是其带隙相对大多数光催材料仍不具有优势。而CuS作为窄带隙半导体,与之复合会改善Bi2WO6的带隙问题。同时,CNFs加入使得材料稳定性加强,回收利用更加容易。本研究的主要工作为:首先,通过溶剂热法制备了CuS/Bi2WO6复合材料。通过分析和表征,发现Bi2WO6与CuS材料复合之后,在可见光区域的吸收得到增强,更多的光生电子-空穴对参与光催反应,同时CuS的引入加速了光生电子-空穴对的分离,提升了光催化活性。其中,CuS复合量为5%时对Cr(Ⅵ)的光催化还原最佳,为87%。其次,同样采用溶剂热法将5%CuS/Bi2WO6复合材料负载于CNFs上,制备了CNFs/CuS/Bi2WO6三元材料。通过分析表征发现,引入CNFs后,复合材料的吸附能力明显增强,光致发光强度减弱,CNFs和CuS,Bi2WO6之间光致电子的有效转移促进了界面电荷的转移,提高了CNFs/CuS/Bi2WO6三元材料的光催化活性。其中当CNFs的复合量为1%时,其复合材料可在3h内完成对对Cr(Ⅵ)的100%还原,并且经四次循环回用之后光催化活性仍可保持在90%,证明CNFs/CuS/Bi2WO6复合材料拥有良好的稳定性。最后,Cr(Ⅵ)作为目标污染物,考察了溶液初始p H值、溶液初始浓度和光催化剂投加量三个影响因素对Cr(Ⅵ)还原的影响,并进行了拟一级反应动力学分析。在一定光催条件下,Cr(Ⅵ)还原率随着溶液初始p H值的增加而下降;在最佳p H=3时,光催化还原率随着初始浓度的增加而逐渐下降,初始浓度10mg/L时效果最佳;而随着光催化剂投加量的增加,Cr(Ⅵ)还原率也呈现上升趋势,80 mg的光催化剂就可在60 min内几乎达到完全还原。通过活性基团捕获实验,可以看出光催化还原Cr(Ⅵ)的主要活性基团是超氧自由基(·O2-)。在可见光照射时,光生电子从价带跃迁到Bi2WO6和CuS的导带上,形成大量空穴,电子由CNFs高速传送,而价带上多余的空穴留在Bi2WO6中与H2O或OH-反应形成·OH,抑制了电子和空穴的结合,提高了光催化活性。
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