铋系复合催化剂材料的制备及其对有机污染物的光催化降解

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铋基化合物因其种类繁多,结构可控和光催化性能良好为研究者提供了一个有前景的光催化剂新家族。其中,BiNbO4是一种具有混合层状Aurivillius相结构的材料。它具有电、光和热电等物理化学特性,使其在微波介质、铁电、光降解污染物和光催化制氢等领域有着广泛的应用。BiOX(X=Cl、Br和I)是一种具有两个孤对离子与(Bi O)22+构成的层状纳米结构材料。其所拥有的高偶极子、间接带隙、空穴的高氧化还原电势及易于形成的氧空位(OVs)等特点,为BiOX成为良好光催化材料提供了结构支撑。但该类物质光吸收范围较窄或在光辐射条件下产生的电子(e-)与空穴(h+)较易复合,因此可通过构建异质结复合材料的方法以提高其光生电荷的转移与光催化活性。本文分别采用共沉淀法、溶剂热法以及酸化还原法制备了Ag3PO4/BiNbO4、BiOCl/Mn3O4及Bi/BiOCl/BiOI复合材料,并对材料进行结构与光电性能等物理化学性质表征。以罗丹明B(Rh B)和双酚A(BPA)为目标污染物进行光催化降解,考察材料的光催化反应性能及影响光催化降解的外界环境因素(污染物浓度、溶液p H和盐度),并对光催化反应机理进行了初步探讨。研究内容主要包括:1.所制备Ag3PO4/BiNbO4材料中BiNbO4相对均匀地沉积于Ag3PO4材料表面。复合材料中BiNbO4含量为10%、光照30 min、p H为6、浓度为20 mg/L的Rh B溶液在投加量为0.5 g/L的复合材料的降解率可达98.83%。基于动力学探究,Rh B光降解过程遵循拟一级动力学方程。光照后Ag3PO4表面产生的单质银粒子为电子传输提供了良好通道。2.制备的BiOCl/Mn3O4复合材料呈片状堆积的类花型结构。Mn3O4的质量分数为10%、光照40 min、初始浓度为20 mg/L的Rh B溶液在0.5 g/L复合材料催化作用下,其降解率可达95.17%。催化性能的提高主要是由于复合材料的花型结构具有截留污染物与反射光的能力以及拓宽的光吸收范围。Rh B的光降解过程符合拟一级反应动力学模型,且起主导作用的活性物种为h+。3.采用三步法制备的Bi/BiOCl/BiOI复合材料是无定型与晶体材料相结合的三元材料,并将其应用于BPA的光催化降解。光照60 min、p H为6、初始浓度为10 mg/L的BPA溶液在0.5 g/L的Bi/BiOCl/BiOI复合材料中的降解率可达98.42%。该三元复合材料具有良好的稳定性,循环4次后,对BPA的催化降解效率没有明显的下降。这主要归因于酸化还原法对材料结构的改性及Na BH4还原产生的表面等离子体共振(SPR)效应以及氧空位等阻碍了材料中电子与空穴的复合,提高了Bi/BiOCl/BiOI三元材料催化降解BPA的性能。
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