硼磷复合光催化剂的制备及其性能研究

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光催化技术反应条件温和,在能源与环境领域具有很好的应用前景。近年来,多种非金属元素半导体材料由于其具有环境友好、含量丰富、成本低廉、光吸收范围宽等优点而引起了研究者们的广泛关注。然而,光生电荷复合导致其光催化活性较低的内在特性,限制了这些光催化材料的进一步应用。本文以非金属硼和红磷为研究对象,利用不同的方法合成了双非金属硼磷复合光催化剂,以改善其电子-空穴对的分离与迁移,从而提升催化剂的光催化性能。通过一系列表征手段对催化剂的结构、形貌、组成、性质进行了表征,在可见光条件下研究了催化剂对孔雀石绿和罗丹明B的光催化降解性能,并对催化剂的降解机理进行了探索。首先,以次亚磷酸钠和商业硼粉为原料,用热分解法制备得到了不同质量比例的磷硼(P/B)复合光催化剂,并通过XRD、FT-IR、XPS、EDS、SEM、TEM、和光电化学等表征手段分析了催化剂的结构形貌、化学组成及光电特性。实验结果表明,当次亚磷酸钠和商业硼粉的质量比为3:1时,所制备得到的光催化剂活性最佳,光照15 min后,对孔雀石绿的降解效率可达到99%,且反应速率常数是商业硼粉的14.8倍,是商业红磷的3.4倍。自由基捕获实验结果表明,在光催化降解孔雀石绿的过程中,h+和·O2-是起主要作用的活性氧化物种。研究结果表明,红磷高度分散在元素硼表面,且通过对其表面修饰可以促进电子的转移,抑制元素硼半导体光生电子-空穴对的复合,从而提升其光催化活性。其次,我们以次亚磷酸钠和硼氢化钠为原料,通过热分解法制备得到了不同摩尔比例的硼磷(B/P)复合光催化剂,并通过不同的表征手段分析了催化剂的结构形貌、化学组成及光电特性。实验结果表明,当次亚磷酸钠和硼氢化钠的摩尔比为5:1时,制备的光催化剂活性最佳,光照60 min后,对罗丹明B的降解率能达到95.3%,且反应速率常数为红磷2.2倍。且通过瞬态光电流和电化学阻抗谱可以证明硼对红磷的表面修饰可以促进红磷的光生电荷对分离,抑制其光生电子-空穴对结合,从而提升其光催化活性。总之,本文利用不同的前驱体合成了硼磷复合光催化剂,双组分的光催化剂能够促进光生电荷的分离,从而改善光催化性能,本研究为发展复合非金属元素光催化材料提供了有效借鉴。
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