贵金属Ag Pt Pd及其氧化物改性氧化镓光催化降解罗硝唑的研究

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光催化法是一种清洁高效、无二次污染的高级氧化技术,已被广泛应用于各类有毒有害污染物的降解中。Ga2O3作为一种新兴的光催化剂在污染物降解领域有着良好的应用前景,但其自身电子-空穴对易复合的缺点使Ga2O3的光催化活性受到限制,因此有必要对Ga2O3进行改性以提高其光催化活性。研究表明,贵金属沉积、复合半导体、金属离子掺杂等都是有效的半导体催化剂的改性方式,但此类方式应用于Ga2O3光催化活性改性的研究报道较少。此外,材料制备方法的改变可能导致金属的存在形式发生变化,而金属的种类和金属的存在形式的改变均可能影响催化剂的光催化性能。本研究以AgNO3、H2PtCl6和PdCl2为金属源,分别采用光还原法和化学沉积法制备得到以贵金属沉积和金属氧化物负载两种形式的Ga2O3改性材料。对比两种制备方法对金属存在形式的影响,进而对比两种改性方式对Ga2O3光催化活性的影响差异,并分析其影响机制,为Ga2O3的贵金属和金属氧化物改性提供一定的实践基础。采用典型硝基咪唑类抗生素——罗硝唑的光催化降解效果来评价改性前后Ga2O3的光催化活性,对硝基咪唑类药物的去除有一定的实际意义。本研究主要结论如下:(1)采用光还原法制备得到以金属单质形式存在的Ag-Ga2O3、Pt-Ga2O3和Pd-Ga2O3光催化剂。贵金属的沉积没有改变Ga2O3的晶型及晶相结构,Ga2O3表面沉积的金属颗粒大部分为纳米级,粒径在20~200 nm不等,Ag、Pt、Pd三种贵金属的引入均提高了Ga2O3的光吸收性能,扩宽其光响应范围,且Ga2O3的禁带宽度随着金属的引入有所降低,Ag-Ga2O3和Pd-Ga2O3的禁带宽度均为4.1eV,Pt-Ga2O3的禁带宽度为3.8eV。(2)以罗硝唑的光催化降解效率来评价贵金属沉积前后Ga2O3的光催化活性,Ag-Ga2O3、Pd-Ga2O3和Pt-Ga2O3对罗硝唑的降解率分别为92.3%、89.9%和38.0%。贵金属Ag和Pd的沉积均提高了Ga2O3对罗硝唑的光催化活性,而金属Pt的沉积使Ga2O3的光催化活性受到抑制,三种催化剂性能的差异与Ag、Pd、Pt对电子的亲和力及Ga2O3的导带位置有关。(3)采用化学沉积法制备得到以金属氧化物形式存在的改性Ga2O3光催化剂:Ag2O-Ga2O3、PtO2-Ga2O3和PdO-Ga2O3。金属氧化物的沉积同样没有改变Ga2O3自身的晶型和晶相结构,且金属氧化物的粒径普遍比光还原法制备的金属颗粒粒径小。Ag2O和PdO的负载使得Ga2O3的光吸收能力增强,Ag2O-Ga2O3和PdO-Ga2O3的禁带宽度分别为3.76和3.6 eV,而PtO2的负载对Ga2O3的光吸收性能影响不大,禁带宽度仍为4.24 eV。(4)以罗硝唑的光催化降解效率来评价金属氧化物负载前后Ga2O3的光催化活性,PtO2和Ag2O的负载均提高了Ga2O3对罗硝唑的光催化活性,其降解率分别为88.2%、82.5%,而PdO的负载使得Ga2O3的光催化活性受抑制,对罗硝唑的降解率只有17.4%。负载的金属氧化物与Ga2O3之间由于能带差异形成异质结,三种金属氧化物的导带差异是影响电子转移程度的主要原因,由此影响了改性后Ga2O3光催化活性。
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