模板法制备Ag/AgCl基可见光催化剂及其性能研究

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随着工业的快速发展,水污染特别是含有机污染物的废水,对生态环境和人体健康构成重大威胁,已成为制约人类可持续发展的重要问题之一。光催化降解法因其对废水中有机污染物具有分解快速、治理彻底、无二次污染等优点,引起科研人员的广泛关注。半导体光催化剂作为光催化系统中吸收太阳光、产生激发态电子-空穴对的关键物质,仍面临可见光利用效率低和光生载流子寿命短等限制其实际应用的问题。因此,设计并制备具有高可见光利用效率及高光生电子-空穴分离能力的光催化剂对实现废水中有机污染物的高效降解具有重要意义。Ag/AgX(X=Cl,Br,I)已成为一类稳定的极具发展潜力的等离子体可见光催化剂。在该体系中,Ag纳米颗粒由于表面等离子体共振效应吸收可见光产生热电子,这些热电子可注入至AgX的导带,进一步参与光催化反应。但是注入AgX导带的热电子会扩散至Ag与AgX的界面,重新与Ag中的空穴复合,从而降低Ag/AgX复合材料的光催化性能。同时,含有贵金属Ag的Ag/AgX光催化剂具有较高的成本。因此,如何设计制备低成本、高可见光利用效率和光生载流子分离效率仍是Ag/AgX可见光催化剂面临的主要问题。针对上述问题,本文采用模板方法构筑Ag/AgCl等离子体的空心微立方结构和Z型Cu2O/Ag/AgCl微立方可见光催化剂,并对其组分对可见光吸收及光催化性能的影响进行了研究,为Ag/AgX等离子体基可见光催化剂的发展提供了新的思路和研究基础。具体研究内容包括:(1)本文首先以Ag空心微立方为模板,FeCl3为氧化剂,通过调节氧化剂FeCl3的量制备不同组分的Ag/AgCl空心微立方。通过构筑空心微纳米结构有利于光在空腔中的多次反射,提高可见光吸收能力,还可以降低成本。空心微立方壳层是由小粒径的纳米颗粒组成的多孔结构,不仅有助于活性位点的暴露,还可以缩短电子-空穴对的扩散路径、加快载流子到达催化剂表面的活性位点的速率,提高其光催化活性。通过控制Ag与AgCl的组分比可以调控异质界面接触面积,增强光生载流子的分离能力,进而提高其光催化活性。研究结果表明当Ag与AgCl的组分比为1:3时,Ag/AgCl空心微立方可见光催化剂具有最优的光催化活性。(2)利用p型窄带隙(2.0-2.2 eV)Cu2O半导体,与Ag/AgCl构筑Z型光催化体系,Cu2O吸收可见光产生光生电子与贵金属Ag中的空穴复合,阻止AgCl导带中的热电子重新与金属Ag中的空穴复合,促进光生电子与空穴的有效分离,提高其光催化效率。本文以Cu2O为模板制备Cu2O/Ag微立方,选择CuCl2为氧化剂,这是由于CuCl2不能氧化Cu2O,可成功制备Cu2O/Ag/AgCl,通过控制CuCl2的量调控Cu2O/Ag/AgCl中Ag与AgCl的组分,并研究了其组分对形貌和光催化效率的影响。当样品中Ag与AgCl的组分比为1:2时,光催化活性最高。
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