基于钨酸铋纳米材料的制备及其环境催化应用

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复合型光催化剂因其在光催化环境治理和能源再生方面的独特优势而被广泛应用于环境催化领域。钨酸铋是典型的奥里维里斯族半导体功能材料,具有较好的可见光催化活性,但其光响应范围较窄且光生电子-空穴复合较快,限制了其在环境光催化领域的应用。基于此,本论文采用量子点改性和表面修饰的方法分别制备出了多种钨酸铋基的复合型光催化剂。通过对复合材料组成、形貌和结构的分析,以及对光生载流子动力学和光催化活性的探究,探讨了光催化活性提高的原因。针对以上研究目的和内容,本文主要开展了以下工作:1.选用具有高吸光性的Co3O4量子点,通过在氮气保护下低温处理的方法成功构建了Co3O4/Bi2WO6异质结复合型光催化材料。扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)的表征结果表明所制备的样品为球形花状结构,Co3O4量子点均匀的分布在Bi2WO6的表面。材料对挥发性有机污染物(VOCs)模拟物气态苯的光催化转化试验结果表明,与单一的钨酸铋对比,Co3O4/Bi2WO6的光催化活性有明显提高。通过对材料的光学性质进行表征,发现Co3O4量子点不仅提高了Bi2WO6的光谱响应能力;且两者具有交错的导带价带位置,在形成p-n型异质结后光生载流子得到了有效的分离,从而提高了其光催化转化VOCs活性。2.通过低温热处理的方法成功制备了CuInS2量子点-Bi2WO6 p-n型异质结光催化剂(CIS-BWO)。光催化活性测试实验结果表明,与单一的Bi2WO6和由机械混合制备的CuInS2量子点-Bi2WO6复合光催化剂(CIS-BWO-Mix)相比,CIS-BWO具有更优异的光催化甲苯转化效率和Cr(VI)还原效率。原位红外光谱(in-situ FTIR)结果表明CIS-BWO光催化剂对甲苯的降解是一个先氧化再矿化的过程。另外,CIS-BWO在还原Cr(VI)的循环测试实验中表现出了良好的光化学稳定性。X射线光电子能谱(XPS)表征结果证实了CIS-BWO界面间的Bi-S键的存在。载流子动力学研究结果和能带分析结果,发现Bi-S键作为CuInS2量子点和Bi2WO6之间电荷转移的快速通道,在界面间内建电场的作用下促进了光生电子和空穴的迁移,进而提高了异质结复合材料的光催化活性。3.通过简单的水热法成功制备了表面锡修饰的钨酸铋纳米片复合光催化剂。形貌和结构表征结果以及XPS表征结果表明Sn4+通过W-O-Sn的桥连结构与钨酸铋纳米片(001)晶面的(WO42-层相连。Sn4+/Sn2+氧化还原对能够加快表面反应速率,有效地将钨酸铋纳米片表面的光生电子传递给吸附的氧气生成超氧阴离子或传递给H+生成氢气。同时,光生电子的高效传出促进了光生载流子的分离,进一步提高了钨酸铋纳米片光催化降解罗丹明B活性和光解水产氢效率。
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