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三维微纳结构异质结可见光催化剂的制备及催化性能研究

杨真  
【摘要】:随着社会和经济的发展,抗生素广泛应用在人类医疗、畜牧业和水产养殖等方面,大量的抗生素通过排泄物和废水的方式排放到自然水体中,对环境造成了严重的污染,残留在自然水体中的抗生素随着食物链进入到人体中,损害人们的健康。因此,寻找高效、绿色环保的去除抗生素的方法是非常迫切和必要的。光/光电催化技术是一种潜力巨大的新兴降解技术,具有快速、高效和绿色环保等特点。本文设计和制备了三维牡丹花状CoO@β-Bi_2O_3 Z型异质结材料,三维空心球V_2O_5@Ni_3V_2O_8异质结材料,三维块状CoFe_2O_4@ZnFe_2O_4异质结材料,用于四环素类抗生素的光/光电催化降解研究。本文的主要研究内容如下:(1)成功制备三维分级牡丹花状Co O@β-Bi_2O_3 Z型半导体异质结。三维分级的花状形貌有利于入射光在材料表面和内部经过多次反射和散射而被吸收,提高催化剂对可见光的吸收能力,独特的花状形貌具有大的比表面积,暴露丰富的活性位点,有利于提高催化剂的催化性能。Z型p-n结的形成,不仅可以有效抑制光生电子-空穴对的复合,还可以保留半导体材料突出的氧化能力。在可见光照射下,通过四环素(TC)、金霉素(CTC)、土霉素(OTC)的光催化降解实验对Co O@β-Bi_2O_3的光催化性能进行研究。实验结果证明在120 min内,TC、CTC、OTC的降解效率分别达到86%、84.6%和85.9%。通过有机碳含量的测定,催化剂对溶液中TOC的去除率达到70%,证明Co O@β-Bi_2O_3 Z型半导体异质结对四环素类抗生素具有极强的光催化降解效果。此外,经过四次循环实验,四环素类抗生素的光催化降解率仍然能达到80%,说明材料具有良好的稳定性。通过自由基捕获实验,结合莫特-肖特基测试,证明CoO与β-Bi_2O_3之间形成了Z型p-n结,并对其光催化降解机制进行详细探讨。(2)成功制备三维空心球状V_2O_5@Ni_3V_2O_8 S型半导体异质结,采用简单的一步水热法将V_2O_5纳米粒子原位生长在中空球状的Ni_3V_2O_8表面上。三维空心结构有利于入射光在材料内部经过多次反射和散射而被吸收,提高催化剂对可见光的吸收能力,独特的空心结构具有大的比表面积,暴露丰富的活性位点,有利于提高催化剂的催化性能。S型异质结的形成,可以有效抑制光生电子-空穴对的复合。在可见光照射下,通过TC、OTC的光催化降解实验对V_2O_5@Ni_3V_2O_8的光催化性能进行研究。实验结果证明在120 min内,TC、OTC的降解效率分别达到80.2%和69.4%。此外,经过四次循环实验,V_2O_5@Ni_3V_2O_8仍然表现出优异的催化效果,说明材料具有良好的稳定性。通过自由基捕获实验,结合莫特-肖特基测试,证明V_2O_5与Ni_3V_2O_8之间形成了S型异质结,并对其光催化降解机制进行详细探讨。(3)成功制备三维块状CoFe_2O_4@ZnFe_2O_4 S型半导体异质结。CoFe_2O_4@ZnFe_2O_4粗糙的表面结构,提高催化剂对可见光的吸收能力,暴露丰富的活性位点,有利于提高催化剂的催化性能。S型异质结的形成,可以有效抑制光生电子-空穴对的复合。在外加0.8V偏压,可见光照射下,通过TC、CTC的光电催化降解实验对CoFe_2O_4@ZnFe_2O_4的光电催化性能进行研究。实验结果证明在120 min内,TC、CTC的光电催化降解效率分别为79%和70.4%。为进一步探究CoFe_2O_4@ZnFe_2O_4的性能,对TC别进行光催化、电催化、光电催化反应,CoFe_2O_4@ZnFe_2O_4均表现出最佳的催化性能。与光催化氧化反应相比,CoFe_2O_4@ZnFe_2O_4光电催化氧化效率的提升得益于在外加偏压的存在下,强制光生电子转移到光电阳极上,使光生载流子更有效的分离。而对于电催化而言,是由于可见光的存在。此外,经过四次循环实验,CoFe_2O_4@ZnFe_2O_4对TC和CTC仍然表现出优异的催化效果,说明材料具有良好的稳定性。通过自由基捕获实验,结合莫特-肖特基测试,证明CoFe_2O_4与ZnFe_2O_4之间形成了S型异质结,并对其光催化降解机制进行详细探讨。


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