BiOCl可见光响应型复合光催化剂的制备及性能研究

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氧化铋晶体(BiOCl)是一种无毒并且理化性质稳定的新型铋基半导体光催化材料,由于BiOCl具有独特的层状结构,在紫外线照射下比传统的Ti O2光催化剂具有更好的降解活性而被广泛研究。然而,BiOCl与Ti O2有着类似的禁带宽度(3.19~3.44 e V),存在着光催化性能差、光吸收范围窄的缺点,因此,本课题以BiOCl为主要研究对象,通过组成调控和结构调控的方式,构造固溶体结构及设计异质结结构来提高其光催化活性。利用X-射线衍射、扫描电镜、紫外-可见漫反射、瞬态电流响应和电化学阻抗等表征手段对制备出的样品结构、形貌及光生电荷转移特性能等方面进行分析。通过光催化降解实验和活性物种诱捕实验来评价所制备材料的光催化活性。本课题的研究,为进一步开发出能有效处理污染物的高活性光催化体系提供了一种新途径。主要研究内容如下:(1)以BiOCl/Br固溶体为研究对象,在温和的水浴条件下,采用一步自组装法合成核壳状BiOCl/Br固溶体纳米光催化剂,讨论了Brˉ的加入对BiOCl的晶体结构、形貌、比表面积、光吸收性能和光催化降解甲基橙(MO)效果的影响。结果表明:通过对BiOCl表面电荷进行调控,利用静电吸附作用,将Brˉ掺杂到BiOCl的晶格中形成固溶体结构,能够有效缩短BiOCl的禁带宽度,提高其光催化活性。(2)以C3N4-DPY/BiOCl为研究对象,采用操作简便的超声辅助法合成了不同质量比的C3N4-DPY/BiOCl复合光催化剂材料。2,6-二氨基吡啶(DPY)作为缺π共轭吡啶环掺杂到C3N4后,有效地提高了C3N4比表面积,缩短了其禁带宽度,进而改善了光催化活性。选择甲基橙(MO)作为污染物用来评价样品在可见光下的活性,结果表明BiOCl和改性后的氮化碳复合所形成的异质结构的光催化活性明显高于纯BiOCl。另外,不同含量的C3N4-DPY与BiOCl结合,对甲基橙(MO)的降解效果也不同,这可能与C3N4-DPY和BiOCl的协同作用有关,合适的C3N4-DPY含量可能有利于与BiOCl结合,产生更多的界面,以提高电子与空穴的转移速率。其中,0.5-C3N4-DPY/BiOCl复合光催化剂有着最为优异的光催化活性。(3)以Bi@BiOCl/C3N4-DPY为研究对象,首先,采用溶剂热法合成出Bi@BiOCl,然后利用缺π共轭吡啶环(2,6-二氨基吡啶)对氮化碳进行掺杂改性,最后通过共沉淀法将改性后的氮化碳与Bi@BiOCl纳米颗粒进行复合。在光催化降解实验中,与其它样品相比,Bi@BiOCl/C3N4-DPY异质结材料在降解甲基橙(MO)过程中表现出优异的光催化性能。其高效的光催化作用归因于Z型Bi@BiOCl/C3N4-DPY结构中的光诱导电荷转移,从而使电荷载流子具有较高的分离效率,并且光生电子和空穴具有较高的氧化还原电势。此外,Bi纳米粒子用作Bi@BiOCl/C3N4-DPY中的Z桥,这也会加速Z结构中光诱导的电荷转移。
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