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甘氨酸辅助合成BiVO_4/BiOI及其模拟太阳光光催化性能研究

张磊  
【摘要】:光催化技术属于高级氧化技术的一种,能够有效去除水体中难降解的有机污染物,实现水中污染物的完全矿化而无二次污染,具有极大的开发与应用前景。但是,以二氧化钛为代表的传统异相光催化材料带隙较宽,只能吸收太阳光中较少的紫外光,可见光利用率差,光生载流子容易复合,量子产率较低,导致降解效率很难达到人们预期的效果。为了使光催化技术得到进一步发展,扩大在实际生产生活中的应用,开发新型高效的太阳光响应型光催化材料体系是必然趋势,也是近年来国内外研究学者的重要前沿课题。铋系光催化剂具有较高的可见光响应,可实现对有机物的高效降解。这主要源于其特殊的电子层结构和优良的可见光吸收能力。Bi的外层电子为6s26p3,若失去3个电子,Bi的6s2轨道与O2p轨道发生部分重叠而在半导体中形成价带顶端,使得禁带宽度降低从而实现对可见光波长的更多吸收。对形貌调控,设计异质结材料是提高光催化活性的有效方法。本文采用水热法,利用生物模板甘氨酸为结构导向剂,制备出一系列形貌可控的BiOI光催化剂和高效太阳光活性的新型异质结BiVO_4/BiOI复合光催化剂。利用X-射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、氮气吸附脱附、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis/DRS)、X-射线光电子能谱(XPS)等手段对其形貌、吸附性能、能带结构等表面物理化学性质进行了表征,通过对目标污染物为罗丹明B(RhB)、水杨酸(SA)、加替沙星(GAT)的自配水样进行研究,考察其在太阳光下照射的降解效率,评价新型光催化材料的催化活性,从而为开发新型太阳光响应型催化剂和降解有机废水的广泛应用提供理论依据。本论文主要研究的内容和结果如下:(1)在甘氨酸调控下水热法制备花瓣状BiOI催化剂的研究:以Bi(NO_3)_3·5H_2O和KI为原料,甘氨酸为结构导向剂,采用水热合成法制备出特殊形貌的BiOI光催化剂。实验结果表明,水热合成过程中甘氨酸的投加量和合成时间对BiOI光催化剂形貌的形成具有重要影响,摩尔比Bi:G=1:2、合成时间12h条件下制备得到的催化剂活性最优;通过表征发现,甘氨酸辅助合成的BiOI比未投加甘氨酸合成的BiOI的催化所形成的片层花瓣状结构更为规则,比表面积更大。以20ppm罗丹明B和10ppm水杨酸为目标污染物进行光催化活性研究,经60 min模拟太阳光照射后,两者降解率分别达到62.3%、71.9%,与未添加甘氨酸同等条件下合成的BiOI光催化剂的降解效率42.2%和49.5%相比,降解效率得到了大幅提升。这主要源于规则的片层结构提高了催化剂的比表面积,使其与污染物的接触面积增大,促进了催化反应的进行,提高了降解效率。(2)通过水热合成法制备新型p-n异质结BiVO_4/BiOI复合光催化剂的研究:以Bi(NO_3)_3?5H_2O、NH_4VO_3和KI为原料,通过考察BiVO_4、BiOI掺杂比例、水热温度、水热时间和pH值等因素优化出形貌更规则、活性最优的BiVO_4/BiOI复合光催化剂的制备条件;研究结果表明,当BiVO_4掺杂量为30%、pH为7.0、合成时间12 h、水热温度为140℃,甘氨酸投加摩尔比Bi:G=1:2时所制备的30%BiVO_4/BiOI光催化剂活性最高;在模拟太阳光照射下,以水杨酸、加替沙星为模拟目标污染物进行光催化活性测试,结果显示:在初始浓度均为10ppm,复合光催化材料投加量为0.1g条件下,降解60 min时间后,降解效率分别达到了82.2%、98.5%;与单一的BiVO_4和BiOI相比,降解活性显著提高,进行四次循环实验,表明该复合材料具有良好的稳定性。通过一系列表征,对催化剂光学性质、形貌特征、晶相结构、表面光电压等进行分析,揭示其构效关系,进一步对异质结构提高光催化活性的机理进行了分析,通过HPLC-MS对水杨酸的降解机理进行了探究。


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