p-BiOX(X=Cl,Br)/n-ZnFe2O4复合纳米纤维的制备及其光催化性能的研究

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近年来,随着人们对生活的需求以及生活质量的提升,水污染问题变得越来越严重,也是呈现在我们面前的重大问题之一。所以治理水污染迫在眉睫。在众多治理水污染的方法中,半导体光催化技术,由于其具有低成本、高效率以及不会对环境造成二次污染的优势而备受人们的关注。尖晶石结构的n型铁酸锌(n-ZnFe2O4),其带隙宽度大约是1.9 eV,由于其具有比较好的对可见光吸收的能力,具有磁性便于分离回收以及优良的化学稳定性等优点而成为一种极具前景的新型半导体光催化剂。但目前纳米结构的ZnFe2O4仍然存在着以下问题:第一,粉体的ZnFe2O4易于团聚,造成活性位点大大减少,从而影响了光催化性能;第二,由于ZnFe2O4的带隙略窄,使得在可见光激发下光生电子-空穴对容易复合,造成分离效率大大降低。针对以上问题,本文采用静电纺丝技术制备一维的ZnFe2O4纳米纤维以减少团聚,并将其作为硬模板,然后通过溶剂热的方法实现p型BiOX(X=Cl,Br)纳米片在其上的地均匀生长以有效地构筑p-n异质结从而大大提高光生电子-空穴对的分离效率,进而大大提高p-BiOX(X=Cl,Br)/n-ZnFe2O4复合纳米纤维的光催化活性。具体的研究内容如下:(1)以电纺的n-ZnFe2O4纳米纤维为模板,利用溶剂热方法制备了一维p-BiOX(X=Cl,Br)/n-ZnFe2O4复合纳米纤维光催化剂。而后又通过改变合成BiOX(X=Cl,Br)前驱体溶液的浓度,实现了BiOX(X=Cl,Br)纳米片在ZnFe2O4纳米纤维上地可控生长,从而构建了不同的p-BiOX(X=Cl,Br)/n-ZnFe2O4异质结光催化剂。形貌,成分和结构的研究结果表明,不同密度的BiOX(X=Cl,Br)纳米片可以均匀地负载在ZnFe2O4纳米纤维上,并且在p-BiOX(X=Cl,Br)/n-ZnFe2O4异质结中BiOX(X=Cl,Br)和ZnFe2O4分子之间可能存在着表面相互作用。(2)在可见光照射的条件下,对于染料罗丹明B的降解,p-BiOX(X=Cl,Br)/n-ZnFe2O4复合纳米纤维展现出了更优越的光催化活性相比于纯的ZnFe2O4纳米纤维,纯的BiOX(X=Cl,Br)以及它们的机械混合。说明异质结的存在可以有效地增加光生电子-空穴的分离效率,异质结光催化剂更大的比表面积有利于其与染料分子的充分接触。并且随着p-BiOX(X=Cl,Br)负载量的增加,p-BiOX(X=Cl,Br)/n-ZnFe2O4异质结的光催化活性先增加后降低,说明表面形貌,异质结的数量,比表面积以及光吸收等因素都会影响光催化性能。另外,对比这两部分工作,在实验条件相同的情况下,p-BiOBr/n-ZnFe2O4光催化剂的光催化活性更好,这一结果可能与材料的光吸收性质密切相关。BiOBr对可见光的吸收能力更强,而BiOCl仅仅可以被紫外光激发。(3)在催化剂的实际应用方面,在外加磁场的作用下,由于ZnFe2O4纳米纤维具有磁性,p-BiOX(X=Cl,Br)/n-ZnFe2O4异质结光催化剂可以被高效地分离和回收。并且循环实验的测试结果表明,p-BiOX(X=Cl,Br)/n-ZnFe2O4异质结光催化剂具有良好的循环稳定性和重复利用性。因此,其可以很容易地从体系中分离回收以循环利用。另外,可能的光催化机理也被详细地讨论,研究结果表明,四种活性基团在光催化反应过程中都起到了一定的作用,其中,空穴(h+)起着最为主要的作用。
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