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纳米钙钛矿型ABO_3复合氧化物的光催化氧化还原活性

杨秋华  
【摘要】:以半导体材料为光催化剂,利用太阳能消除污染,是近年来较重要的研究课题,既具有理论意义又具有实用价值。本文主要以纳米钙钛矿型ABO3复合 氧化物为光催化剂对各种水溶性染料包括酸性红3B、活性橙Ⅱ、艳兰2BR、活性翠兰KGL等及含酚废水进行光催化降解试验,较系统地研究了纳米钙钛矿型ABO3复合氧化物及A位、B位置换和A位、B位部分掺杂的各类复合氧化物的光催化氧化性能。为探讨纳米钙钛矿型ABO3复合氧化物的光催化还原活性,进行了CO32-在纳米LaCoO3悬浮体系中的光催化还原反应的研究,发现CO32-可被还原为HCOOH、HCHO和CH3OH等基本有机原料,为二氧化碳的再资源化进行了新的探索。 首先采用氧化物烧结法、共沉淀法、溶胶—凝胶法、柠檬酸络合法等不同制备方法合成钙钛矿型ABO3复合氧化物,考查不同制备方法对ABO3复合氧化物光催化氧化活性的影响。并通过XRD粒径分析及TEM技术对所制样品进行表征,结果表明,溶胶—凝胶法、柠檬酸络合法是制备纳米钙钛矿型ABO3复合氧化物的有效方法,所制备的催化剂样品的粒径为20~60nm,属于纳米级。 通过对A位、B位置换的各类复合氧化物的光催化氧化性能的研究。发现A位、B位离子半径、电子构型、电负性等是纳米钙钛矿型ABO3复合氧化物光催化氧化活性的重要影响因素。在LaBO3(La=Cr、Mn、Fe、Co)中,随着B位离子半径的减小,允许因子t增大,导致B-O结合能降低,光催化氧化活性增强,其活性大小顺序为LaCrO3 LaMnO3 LaFeO3 LaCoO3;随着B位元素电负性的增大,ABO3半导体材料的离子性减小,其禁带宽度减小,较低能量的光即可激发价带电子产生电子-空穴对,因而光催化活性增强。在ATiO3(A=La、Ca、Cd、Pb)化合物中,A原子(Ca,Cd,Pb)的Allred-Rochow电负性增加, 其对应ATiO3化合物的光催化活性增加。这是由于A的XAR越大,晶体中An+与02-的吸引力越强,A-O键的离子性(P/%)越小,即共价成分越大,电子共用性增加,相对更易被激发和转移,所以其光催化活性显著提高。通过对AFeO3(A=La、Sr)的光催化氧化性能的研究发现,在LaFeO3和SrFeO3中皆存在两种表面氧种,即晶格氧和吸附氧,吸附氧在光催化反应中是活性氧种,可以有效阻止e--h+的复合,并能产生高活性物质HO·而加速光催化氧化反应,根据XPS测试结果,SrFeO3 WP=4 中吸附氧的含量大于LaFeO3中吸附氧的含量,致使SrFeO3的光催化活性高于和LaFeO3。 A位、B位掺杂对纳米钙钛矿型ABO3复合氧化物光催化氧化性能产生重要影响,通过对LaFeO3及掺杂LaFeO3的光催化氧化活性的比较得知,掺杂后的LaFeO3的光催化氧化活性高于未掺杂的样品,LaFe1-yCuyO3、La1-xSrxFeO3的光催化活性皆高于LaFeO3。并可从光生光谱及正电子淹没分析结果得到证实。 此外,采用柠檬酸络合法制备了掺杂LaCoO3系列样品La1-xSrxCoO3、LaCo1-yCuyO3、La1-xSrxCo1-yCuyO3,并以其为光催化剂对含酚废水进行光催化降解,结果表明,A、B位同时掺杂的样品的光催化活性的变化趋势与B位掺杂的样品的变化趋势相似,由此进一步证实了在化合物中,B位为主要催化活性组分。 为探讨纳米钙钛矿型ABO3复合氧化物的光催化还原性能,进行了CO32-在纳米LaCoO3悬浮体系中的光催化还原实验,采用分光光度法检测光还原产物HCOOH、HCHO和CH3OH。研究光生电子的还原活性。考查不同光源、光照时间、催化剂用量、CO32-浓度、pH值等因素对光催化还原产物产率的影响。以确定最佳反应条件。分析认为,CO32-的光催化还原机理为:导带上的光生电子首先还原CO32-为甲酸,甲酸进一步被还原甲醛和甲醇。


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