富氧氯氧化铋光催化剂的改性及其光催化性能研究

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近些年来,随着汽车车内环境污染的日益加重,光催化技术作为一种新兴绿色环保的催化氧化技术受到越来越多学者和社会各界人士的关注。光催化氧化技术的核心问题就是光催化剂的制备问题。近年来对不具有毒性、稳定而且价格便宜的半导体材料二氧化钛(TiO2)光催化剂研究较多。但是半导体材料二氧化钛存在禁带较宽,不能利用除去紫外光之外的光照,光生电子空穴复合率较高,而且不能循环利用等缺点,鉴于以上几点,使得光催化剂半导体材料二氧化钛在实际应用中较少。目前,设计与开发具有强可见光响应以及高光催化反应活性的半导体光催化体系是研究者们研究者面临的最大的问题,也是国内外光催化领域最新研究的方向。铋系半导体是新型的一种光催化材料,具有优异的光学和光催化降解性能。氯氧化铋半导体通过调控铋氯氧的化学计量比,可形成具有不同结构,光学和电子结构的材料。特别是通过增氧减氯过程形成的氯氧化铋更是引起了研究人员的浓厚研究兴趣。在已报道的诸多富氧氯氧化铋材料中,具有优良物理化学性质的富氧氯氧化铋材Bi12O17Cl2的相关研究却相对较少。本研究拟构建具有贵金属银沉积的等离子共振体系和具有半导体修饰的复合体系,尝试通过构筑异质结构加强光生载流子在界面上的有效迁移和分离,以求提高体系的可见光光催化降解和转化性能。本论文主要分为以下两个部分:(1)以五水合硝酸铋为铋源,通过溶剂热法合成Bi12O17Cl2样品,随后通过光还原过程制备出贵金属银(Ag)原位沉积的表面等离子体共振复合材料。通过使用X射线粉末衍射技术,紫外可见漫反射技术,固体荧光技术,X射线能谱分析技术以及扫描电镜测试等对催化剂微观结构和微观形貌进行分析研究。通过引入金属银纳米颗粒构建异质结构可以有效增强Bi12O17Cl2的光催化降解效果。使用罗丹明B(RhB),甲基橙(MO),亚甲基蓝(MB)以及盐酸四环素作为目标污染物,对合成材料的光催化降解性能进行了研究。结果表明,质量比为3%Ag的Bi12O17Cl2光催化材料对MO和盐酸四环素降解效果比较好,优于其它比例的催化剂以及N-TiO2。经分析光催化降解性能增强的原因是合适的能带结构。此外质量比为5%Ag的Bi12O17Cl2光催化材料对MB的降解效果比较好,优于其它比例的样品以及N-TiO2;纯的Bi12O17Cl2光催化材料对RhB时降解效果比较好,优于其它比例的催化剂以及N-TiO2,主要是与合适的能带结构和贵金属-半导体之间的异质结构界面有关。此外使用苯甲醇为目标底物,对合成材料的光催化转化性能进行了研究。数据显示,该系列样品选择性都高达99%,质量比为3%Ag的Bi12O17Cl2光催化材料对苯甲醇的选择性氧化效率比苯甲醛高,是纯的Bi12O17Cl2光催化材料的1.5倍。经分析光催化合成性能增强的原因是调整添加合适的Ag的比例以及更优的能带结构。(2)通过热解三聚氰胺合成出片层氮化碳(CNs),然后通过一步后合成法,使用氯化铋为铋源,加入片层氮化碳,合成一系列CNs/Bi12O17Cl2复合光催化材料。采用X射线粉末衍射,紫外可见漫反射,固体荧光等对催化剂微观结构进行分析研究。使用MB作为目标污染物,对合成材料的光催化降解性能进行了研究。数据显示,CNs的添加显著的增强了复合材料的吸附性,CNs与Bi12O17Cl2质量比为1:1时,CNs/Bi12O17Cl2复合光催化材料对亚甲基蓝降解效果比较好,其样品可见光光催化降解MB的表观速率常数分别是N-TiO2,纯的Bi12O17Cl2以及纯的CNs的13.7倍,6.9倍和5.1倍,说明CNs的复合造成的异结构界面确实能有效提高材料的光催化降解性能。
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