含鉍氧化物復合光催化材料的制備及其光催化降解有機污染物.pdf

1、在全球環(huán)境污染和能源危機日趨嚴重的今天，環(huán)境保護和可持續(xù)性發(fā)展成為人類必須考慮的重要問題。光催化技術是一種新型有效的環(huán)境污染控制技術，具有環(huán)境友好，污染物分解徹底等優(yōu)點。然而，以TiO2為代表的傳統(tǒng)光催化材料的兩個固有缺陷限制了其實際應用:(1)帶隙較寬(3.2 eV)，只能被波長小于386.5 nm的紫外光激發(fā)，而占到達地面太陽光總能量95％的可見光不能被利用;(2)光激發(fā)產生的電子與空穴非常容易復合，導致其量子產率較低，極大地影響了

2、其光催化活性。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，鉍系氧化物半導體材料，如Bi2O3、Bi2O2CO3、BiPO4、BiOX(X=Br，I)等具有靈敏響應可見光，量子產率高等優(yōu)點，在光催化領域受到廣泛關注并且有著廣闊的應用前景。
　　單一組分半導體光催化劑通常存在著光生電子-空穴對易發(fā)生復合的問題，限制其光催化效率的提高。為了滿足實際應用的需求，構建具備高光催化活性和良好穩(wěn)定性的含鉍復合光催化材料非常有科學意義。本論文以含鉍氧化物半導體材料為研究基

3、礎，從材料的合成方法入手，采用不同的技術手段，制備了Ag2O/Bi2O3、Ag2CO3/Bi2O2CO3、 Ag/Ag3PO4/BiPO4和Ag/AgX/BiOX(X=Br，I)這一系列含鉍氧化物復合光催化材料。通過各種表征手段探究其結構、組成、形貌、光學吸收等物理化學性質，以在可見光下降解不同有機污染物作為模型反應考察所制備催化劑的光催化活性，并揭示了復合材料的微觀結構與光催化活性之間的構效關系。本論文的研究工作包括以下五個部分:

4、r>　　(1)采用一步水熱法，通過改變原料中AgNO3的摩爾含量，合成了不同Ag2O摩爾含量的Ag2O/Bi2O3復合微球(x=0.0.1，0.2，0.3，0.5)。在可見光（λ≥420 nm）照射下，利用羅丹明B的降解來評價Ag2O/Bi2O3復合微球的光催化活性，并研究了Ag2O摩爾含量對復合材料光催化性能的影響。研究結果表明，Ag2O摩爾含量為0.3的Ag2O/Bi2O3(x=0.3)在60 min內對羅丹明B的降解率高達97％，

5、分別是N-TiO2和純Bi2O3的6倍和4倍。這主要是因為Ag2O和Bi2O3的能帶交錯匹配，有利于提高催化劑對可見光的吸收能力，同時降低了光生電子和空穴的復合幾率，從而提高了Ag2O/Bi2O3復合微球的可見光催化活性（第2章）。
　　(2)通過低溫濕化學方法首次在室溫下以水作溶劑合成了分等級結構的Ag2CO3/Bi2O2CO3微米花。系統(tǒng)研究了樣品的結構、組成、形貌和光吸收性質，還通過觀察反應過程的中間產物，并結合材料的晶體結

6、構，提出了Ag2CO3/Bi2O2CO3微米花的生長機理。在可見光(λ≥420 nm)照射下，以光催化降解多種染料（羅丹明B、甲基橙、亞甲基藍）以及它們的混合染料為模型反應，考察了Ag2CO3/Bi2O2CO3的光催化活性和穩(wěn)定性。研究結果表明，Ag2CO3/Bi2O2CO3復合光催化劑不僅表現(xiàn)出比單獨Bi2O2CO3和Ag2CO3更高的光催化活性;而且該復合光催化劑能降解多種有機染料并保持良好的穩(wěn)定性，重復使用6次后，其活性基本不變。

7、該合成方法簡單、綠色、快速且具有普適性，有望應用于含鉍非金屬氧化物光催化劑的制備（第3章）。
　　(3)采用離子共沉淀-水熱法制備出新型的三元納米材料Ag/Ag3PO4/BiPO4。以甲基橙為目標污染物，探討了不同合成因素（如水熱反應的溶劑、溫度、時間、Ag/Ag3PO4摩爾含量）對Ag/Ag3PO4/BiPO4光催化活性的影響。相對于Ag/Ag3PO4和BiPO4，Ag/Ag3PO4/BiPO4納米復合材料在可見光照射下對甲基橙

8、和2，4-二氯苯酚的降解表現(xiàn)出顯著增強的降解效果。這主要歸因于Ag0的表面等離子體共振效應而引發(fā)復合催化劑對可見光響應的增強、光生電子-空穴分離效率的提高以及不同粒徑的納米顆粒之間光的散射等因素（第4章）。
　　(4)采用微波輔助溶劑熱法和光致還原法制備了三維有序花狀Ag/AgX/BiOX(X=Br，I)復合微球。Ag/AgX/BiOX是直徑大約為1～2μm的花狀微球，是由厚度大約50nm的納米片組裝而成的，大量直徑約為10～20

9、 nm的Ag/AgX納米顆粒均勻地鑲嵌在納米片上，為光催化反應提供了活性位點。在可見光照射下降解對硝基苯酚的實驗中，Ag/AgX/BiOX均表現(xiàn)出了比Ag/AgX和BiOX更高的光催化活性。這是由于復合光催化劑的多孔結構和粗糙表面有利于催化劑對可見光的吸收，有利于光生電子和空穴的產生。此外，由于Ag/AgX表面等離子體光催化材料與AgX/BiOX異質結復合光催化材料之間的協(xié)同效應，實現(xiàn)了可見光吸收增強和光生載流子快速轉移，因而Ag/Ag

10、X/BiOX具有優(yōu)異的光催化性能（第5章）。
　　(5)以模擬太陽光為光源，研究了所制備的Ag/AgI/BiOI復合催化劑對亞甲基藍的吸附和光催化降解性能。系統(tǒng)考察了光催化劑用量、溶液pH值、溶液溫度、溶液初始濃度等不同因素對復合催化劑光催化活性的影響。結果表明，Ag/AgI/BiOI復合物光催化降解亞甲基藍的最佳條件為:室溫25℃，催化劑用量為1.0 g/L，溶液初始濃度為C0=10 mg/L，pH值=7.5，光照時問120 m