钨、钼、钒酸铋系新型光催化剂的制备及催化性能研究

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近些年来,日益严重的环境污染问题已严重威胁人类的生存。其中,有机染料由于其结构复杂,毒性大,环境污染严重和难降解性能,已成为环境治理的一个难点。为了解决这个问题,人们进行了科学研究,保护环境,治理污染。半导体光催化方法是使用光照引发半导体生成的导带电子和价带空穴,对有机污染物进行氧化还原降解或者使水分解获得氢能的新技术。研发宽谱响应的长效高效光催化材料是半导体光催化的焦点。高效的可见光光催化材料应具有能带低、量子效率高、比表面积大、稳定性高和重复利用容易等特征。因为铋复合氧化物具备响应可见光的性能,国内外许多科研工作者们对其产生了广泛的关注。本论文中,采用水热法制备了具有优越的可见光光催化性能的一系列铋复合氧化物,利用XRD、SEM、TEM、UV-Vis、FT-IR等技术表征了这些光催化剂的物理性质,并考察了其在可见光下光催化降解罗丹明B、亚甲基蓝的催化性能。研究内容主要包括:1、采用水热法,成功的制备了单斜晶系的Bi2WO6粉体。反应温度、反应时间、表面活性剂种类和反应体系pH值对Bi2WO6的形貌、吸收带边、光催化性能有着重要影响。当反应温度不同时,可以得到无定形颗粒、片状颗粒、花状聚集体及分等级球状结构产物,随着反应温度的升高,产物的吸收带边发生红移,禁带宽度减小,光催化性能提高。随着反应时间的延长,产物的形貌变化为片状颗粒堆积、拼插、片状颗粒片层增厚的堆积、形成花状颗粒聚集体、形成分等级球状结构。反应时间对产物的吸收带边及光催化性能也有影响,但影响并无一定规律,反应时间为12h时所得产物的禁带宽度最小,反应时间为24h时产物的光催化活性最好。通过改变表面活性剂的种类可以得到近似球形、片状、花状及分等级结构的产物,不添加表面活性剂时产物的禁带宽度最小,以SDBS为表面活性剂时产物的光催化性能最好。反应体系由酸性到中性再到碱性变化时,产物的形貌由近似球形颗粒变为分等级结构再变为不规则形貌的片状颗粒水平堆叠和拼插而成的类球状结构,反应体系为碱性时,产物的禁带宽度最小,反应体系为中性时,产物的催化活性最高。2、采用直接复合法和原位复合法合成了BizWO6/PANI异质结材料,结果表明,复合粉体吸收带边均较纯钨酸铋的发生红移,禁带宽度减小。直接复合法和原位复合法中聚苯胺的掺入量分别为1.5%和1.0%(质量百分比)时,产物的光催化性能最好,另外,原位复合法所得产物的光催化性能要好于直接复合法所得产物。此外,在无机酸体系中合成的聚苯胺复合粉体的光催化性能较好。3、采用水热法,成功的制备了单斜相的BiVO4粉体。反应温度不同,所得产物的形貌不同,随着反应温度的增加,可以得到树枝状、棒状和由小颗粒团聚而成的类球形产物,而且随着反应温度的升高,产物的吸收带边发生红移,禁带宽度减小,光催化性能提高。反应时间对产物的形貌有明显的影响,随着反应时间的延长,产物的形貌由棒状变为长径比减小的短棒,再变为近似球形的颗粒,最后演变为由小颗粒聚集在一起形成的球形大颗粒。反应时间对产物的禁带宽度没有明显的影响,但反应时间为12h和18h所得产物的光催化效率最高。通过改变表面活性剂的种类可以得到近似球形、棒状、不规则形貌的产物,以PVP为表面活性剂所得产物的禁带宽度最小,光催化效率最高。反应体系溶剂种类不同,所得产物的形貌也有明显的差异,有近似树枝状、近似球形和棒状形貌的产物,另外,以水为溶剂所得产物的禁带宽度最小,光催化活性最好。4、采用水热法合成了BiVO4/ZnO复合粉体,通过XRD表征证明了ZnO的加入使BiVO4的晶型由单斜相转变为四方相;通过紫外-可见漫反射吸收光谱测试表明ZnO的加入使BiVO4的吸收带边发生了红移,其中掺杂量为BiVO4质量的7%时,吸收带边红移的最大,产物的禁带宽度最小,光催化效率最高。5、采用水热法,成功制备了具有片状和花状形貌的钼酸铋粉体。反应温度和表面活性剂种类是影响产物尺寸、形貌变化和光催化效率的重要因素,反应温度越高,所得产物的禁带宽度越大,光催化效率越低;表面活性剂为PVP时,所得产物的禁带宽度最小,光催化效率最高。6、实验发现可以通过掺杂碳元素来改变钼酸铋粉体的光催化效率,随着加入碳量的不断增多,粉体样品的禁带宽度不断下降,光催化效率不断提高。所掺杂的碳源不同,所得产物的禁带宽度和光催化降解率也不相同,麦芽糖的分子量较葡萄糖大,含碳量多,掺杂所得产物的光催化性能好。
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