贵金属/半导体复合光催化剂的制备及性能研究

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近年来,随着现代工业化和科技的飞速发展,能源短缺和环境污染问题日益严重,成为当前人类面临的重要挑战。半导体光催化技术能直接利用太阳光降解环境中的污染物,也可以将太阳光转化成其他形式的清洁能源,实现修复环境和利用太阳能的目的。本论文针对一些氧化物半导体光催化剂存在的光生载流子复合率高等问题,结合贵金属纳米颗粒的表面等离子共振(SPR)效应,将具有SPR效应的Au、Ag纳米颗粒与不同形貌结构的氧化物半导体复合,制备出的复合光催化材料表现出极高的光催化活性,并对贵金属/氧化物半导体复合材料的光催化机理进行了合理解释。具体工作如下:1.先以F127为模板剂,通过溶剂蒸发诱导自组装和金属前驱体溶液的原位聚合制备了三种典型的宽带隙介孔金属氧化物(ZnO、TiO2和Ce02),然后通过一种简单光解沉积法来制备一系列具有表面等离子共振效应的Ag/MMO复合光催化材料,载Ag量分别为1wt.%、2wt.%和5wt.%。综合运用XRD、BET、 TEM、 XPS和UV-vis DRS等手段对材料进行表征。实验结果表明,所制备的介孔金属氧化物具有较大的比表面积和较窄的孔径分布,Ag/MMO复合光催化剂由较小的MMO纳米颗粒包覆50-100nm的Ag纳米颗粒组成。紫外可见光照射下降解亚甲基蓝和苯酚的实验结果显示,所制备的MMO半导体材料(介孔ZnO和介孔Ti02)比商业ZnO和Ti02的光催化活性高,Ag/MMO纳米复合材料则表现出更高的光催化活性,而且复合材料的光催化活性随载Ag量的增加先逐渐升高而后降低,载Ag量为5wt.%的复合光催化剂的光催化活性最高。Ag/MMO光催化材料催化性能的提升,主要归因于MMO基体中介孔结构对催化反应物的高效吸附与转移,以及Ag纳米颗粒的SPR效应对光能的高效吸收二者之间的协同作用。2.通过溶剂热法使WCl6在乙醇中醇解制备出超细W02.72纳米线(WO)和WO3-x/RGO复合材料(WGO),利用W02.72的还原性将贵金属Ag+、Au3+原位还原,制备出了负载贵金属纳米粒子的NM/WO和NM/WGO纳米复合光催化剂(NM=Ag、Au)。综合运用XRD、SEM、TEM、Zeta点位测试仪和UV-vis分光光度计等仪器对材料进行表征。结果表明,粒径小于50nm的贵金属颗粒被原位还原出来,与W03-x超细纳米线和WO3-X/RGO之间结合紧密。复合材料吸附甲基橙和亚甲基蓝溶液以及可见光下降解亚甲基蓝溶液的实验结果显示,所制备的NM/WO和NM/WGO样品表现出对阳离子型染料(如MB)的选择吸附性和巨大的吸附容量,NM/WGO对MB的吸附容量高达220μmol/g。同时,NM/WO和NM/WGO表现出对MB优异的光催化降解活性。所制备的复合材料对阳离子型染料的选择吸附性归因于其分散在水中表现出的表面电负性,其巨大的吸附容量来源于超细纳米线结构和RGO的巨大比表面积。光催化活性的提高得益于贵金属纳米颗粒的SPR效应和RGO优异的导电性对光生载流子的高效分离作用。
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