钨酸铋的水热合成及光催化改性的研究

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光催化技术能有效利用太阳能降解废水,在环境净化领域的应用的发展前景也越来越广阔。光催化剂的发展进步是决定光催化技术能否得以广泛应用的重要关键,因此,新型光催化剂的开发与应用成为当前光催化技术的研究和发展的一个必然趋势,在社会经济领域及环境领域具有重要的应用价值。钨酸铋(Bi2WO6)在Aurivillius型氧化物中被研究工作人员普遍认为是目前具有最佳可见光催化活性的半导体催化剂之一。Bi2WO6具有的独特的双层结构,使其比单层结构的光催化剂具有更理想的太阳能利用率、更好的稳定性和更高的可见光催化活性,并且合成钨酸铋的制备工艺简单,生产成本低廉,近年来在新型材料和光催化领域受到广泛关注。本文采用一种新钨源,结合简单的水热法合成钨酸铋,并将其应用于降解废水中的有机物种中。而单一的钨酸铋光催化剂也具有可见光响应范围窄以及电子空穴对复合率高等的缺陷,使得其的光催化活性也受到很大的限制。为了进一步的研究提高钨酸铋的光催化活性,本研究对制备的钨酸铋进行了改性,探索合成具有高活性的复合光催化材料,以将其应用于净化冶金废水中。本论文针对上述的研究内容,主要开展的研究工作及得到相关结论:(1)以钨酸为钨源,通过水热合成法,在220℃下反应24h合成Bi2WO6光催化剂;以g-C3N4为基底材料,通过简单的加热回流法制备了g-C3N4/Bi2WO6复合光催化剂。表征结果显示,制备的Bi2WO6材料具有良好的结晶度且纯度高,并且在可见光照射下Bi2WO6可以光催化降解亚甲基蓝溶液。当g-C3N4:Bi2WO6的质量比为4:100时,制备的g-C3N4/Bi2WO6复合光催化剂的可见光降解有机物的活性最好。在对可见光降解有机物的实验中,Bi2WO6与g-C3N4复合后的可见光活性增强。从能级角度分析,g-C3N4与Bi2WO6有相匹配的能级,电子空穴受光激发后能够在两种材料的价带、导带之间迁移,因此Bi2WO6与g-C3N4材料复合后所得到的g-C3N4/Bi2WO6的光催化活性显著得到增强。(2)在温和条件下采用简单加热回流的方法,合成了Bi2MoO6/Bi2WO6复合光催化剂。当Mo:W的摩尔比为2:10时,制备的Bi2MoO6/Bi2WO6复合光催化剂的降解的效率大约是单一的Bi2WO6的两倍。Bi2WO6与Bi2MoO6相匹配的能级,能直接导致光生产中电子空穴对的有效的分离,因此与相匹配的Bi2MoO6复合能够大幅度地提高光催化材料的光降解活性。(3)在可见光照射下,将本研究制备的钨酸铋光催化剂及其改性复合光催化剂应用于处理冶金焦化废水中的酚类物质的过程中。在室温下,当含酚废水溶液浓度为10mg·L-1,催化剂的投加量为0.05g时,经过连续3小时的可见光照射,制得的Bi2WO6光催化剂、g-C3N4/Bi2WO6和Bi2MoO6/Bi2WO6复合光催化剂降解废水对应的酚类物质降解率分别为14.6%、17.1%和15.2%。Bi2WO6及其他改性后的复合光催化剂在降解含酚废水的处理过程中均可以表现得出良好的降解效果。
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