层状纳米材料(ZnAl-LDH、BiOBr、g-C3N4)的改性及其光催化性能的研究

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现如今,科技带动生产力的进步,随之而来的是经济的快速发展和能源需求的与日俱增,同时地球这颗人类赖以生存的星球也面临环境污染和能源危机两大关键性的问题。利用光催化技术将太阳能转化成化学能成为近年来研究的热潮。但是,光催化领域仍然存在几个关键性的问题亟待解决。第一,以传统的TiO2为例,其可见光响应低,对太阳光利用率不高;第二,光生电子空穴复合率高;第三;半导体催化材料大多是以粉末存在,在溶液中容易聚沉,使得催化剂难以回收再次利用。这些问题都阻碍了光催化技术在工业上的大规模应用。由于层状材料具有独特的层状主体结构、可调控性和特殊的电子传输特性,使其在电磁、催化等领域应用广泛。在本文中,我们采用了包括层状双金属氢氧化物(ZnAl-LDH)、溴氧化铋(BiOBr)、石墨相氮化碳(g-C3N4)三种不同的层状材料并对它们进行改性。具体的研究包括以下几方面:  第一,采用简易的共沉淀法合成了ZnAl-LDH包覆BiVO4空心微球复合光催化材料。采用XRD、傅里叶红外光谱以及扫描电子显微镜对材料组成和形貌进行表征。随着BiVO4含量的增加复合材料的吸收带发生了红移,而光催化活性却是先升高后降低。实验发现,当Zn2+和Bi3+的摩尔比为1/2时,得到的复合材料ZB12对孔雀石绿(MG)催化活性最高。实验证明,由于BiVO4和ZnAl-LDH之间形成异质结结构,降低了光生电子和空穴的复合率,提高了复合材料的催化活性。在降解孔雀石绿过程中,起主要作用的活性物种为羟基自由基和空穴。并且,复合材料ZB12表现出很好的循环稳定性在水处理领域具有很好的应用前景。  第二,首次通过简易溶剂热法合成了具有漂浮能力的膨胀珍珠岩和溴氧化铋(BiOBr)的复合物并对它进行了表征。BiOBr花状微球均匀的分散在EP表面,当初始硝酸铋物质的量为3 mmol时,珍珠岩的负载量达到最大值,并且EP-BiOBr-3在经历八天的漂浮测试之后,仍有42 wt%具有漂浮能力。利用对硝基苯酚(4-NP)和罗丹明B(RhB)作为目标降解物来评估复合材料的催化活性。因为材料具备漂浮能力、对可见光的吸收能力以及突出的循环稳定性,因此它非常适合应用于浅水水库和工业废水池的水体净化。  第三,实验在不同温度下(450-580℃)通过煅烧制备了一系列非金属漂浮型g-C3N4/EP复合材料并对其进行表征。XRD,SEM和红外结果表明实验成功制备了g-C3N4/EP,而且随着热解温度的升高g-C3N4的聚合度先升后降,在520℃时聚合度最大,这一结果同样被XPS所证实。降解效果和荧光谱图反映了EP-CN-520具备最有表面缺陷浓度,并且它还拥有较高比表面积、优越可见光吸收以及较佳的光催化活性,这说明这种漂浮型材料可以利用太阳光修复受污染水域。
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