La(OH)3纳米棒的可控制备、表面AgCl修饰及光催化净化气相NO的机理研究

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大气污染是当前人类面临的重大环境问题,环境大气中低浓度NO作为主要的空气污染物之一,引起了如光化学烟雾、酸雨和灰霾等大气环境问题。传统治理技术应用于低浓度NO治理存在若干问题,如效率低、能耗高、产生二次污染等。本文研究新型La(OH)3基光催化剂,并将其应用于NO的高效去除。通过低温沉淀法和水热法制备出La(OH)3纳米棒光催化材料,实现了其微结构的控制。为增加光催化剂对可见光的利用率,对La(OH)3其进行表面修饰,制得Ag/AgCl/La(OH)3三元异质结。采用X射线衍射(XRD),扫描电镜(SEM),透射电镜(TEM),X射线光电子能谱(XPS),紫外可见漫反射光谱(UV-vis DRS),氮气吸附法(BET-BJH),光致发光光谱(PL),电子自旋共振(ESR)和电子顺磁共振(EPR)等对合成的催化剂进行结构表征和活性自由基捕获,得到如下结论:(1)沉淀法制备La(OH)3纳米棒体系:以氨水和La(NO3)3·6H2O为前驱体,通过快速、温和、可控的低温沉淀法合成La(OH)3纳米棒。合成步骤简单且耗时短,在1.5 h内完成。La(OH)3纳米棒表现出较高的去除NO光催化活性,这归因于低温沉淀法制备的La(OH)3存在氧空缺和一维的纳米结构。氧空缺的作用是在导带下方形成了新的杂质能级,使得含有缺陷的La(OH)3的UV光吸收范围扩展;一维的纳米棒结构可以促进光生载流子的分离,从而促使活性提高。(2)水热法制备La(OH)3纳米棒体系:以氨水和La(NO3)3·6H2O为前驱体采用水热法合成La(OH)3纳米棒。发现水热温度对La(OH)3纳米棒催化活性有较大影响。水热温度为180°C时得到的样品(La-180)光催化活性最佳。ESR捕获实验表明羟基自由基(?OH)是最主要的反应物种。La-180中?OH的信号最强,因此活性最高。La-180产生更多?OH的原因是UV光吸收被延伸使其带隙能减小。同时,La-180纳米棒形貌均一无团聚,从而使得表面电子-空穴对有效分离。(3)Ag/AgCl@La(OH)3异质结体系:对水热法制备的La(OH)3纳米棒进行AgCl异位复合,光照下部分Ag+被还原成Ag单质,得到三元Ag/AgCl@La(OH)3异质结。与Ag/AgCl和纯La(OH)3纳米棒相比,新型Ag/AgCl@La(OH)3表现出了显著增强的可见光催化活性,这归因于Ag纳米颗粒引起的SPR效应导致可见光吸收增强,以及Ag/AgCl和La(OH)3之间的相互作用导致电子-空穴对有效分离。评价了Ag/AgCl含量对La(OH)3光催化性能的影响,Ag/AgCl与La(OH)3的质量百分比为1:2时,表现出最高的光催化活性。在自由基捕获基础上,提出了光催化净化NO的反应机理。研究为镧系光催化剂的合成提供了一个过程简单、原料低廉、无副产物的制备方法,为宽带系光催化剂改性及光催化机理认识提供了新的思路,也为实现镧系光催化剂走向应用奠定了技术基础。
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