熔盐法制备Bi4Ti3O12及其光催化性能研究

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Bi4Ti3O12属于层状钙钛矿型氧化物,具有独特的晶体结构与电子结构,其能带间隙较窄,理论上能在可见光区域响应,是一种颇具发展前景的光催化剂。熔盐法能够为反应提供液相环境,被广泛应用于陶瓷原料的制备。本论文以熔盐法为基础,研究了反应温度及盐料比对于Bi4Ti3O12形貌及结构的影响,利用可见光下(λ>420 nm)罗丹明B的降解实验评价了Bi4Ti3O12的光催化性能,在此基础上,研究了Bi4Ti3O12/g-C3N4复合光催化剂、Ag/Bi4Ti3O12、Pt/Bi4Ti3O12及AgPt/Bi4Ti3O12负载型光催化剂的催化性能。结果表明:(1)采用熔盐法,800℃即可得到纯相Bi4Ti3O12,熔盐法所合成的Bi4Ti3O12具有各向异性,呈片状结构,沿a-b面取向生长;随着反应温度的升高,其晶粒尺寸增大,熔盐过程中晶粒的生长符合奥斯特瓦尔德熟化机理;光催化研究结果表明,与传统固相法反应合成的颗粒状的Bi4Ti3O12相比,熔盐法制备的片状Bi4Ti3O12粉体具有更好额光催化性能,其光降解罗丹明B的反应速率常数为传统固相反应法合成Bi4Ti3O12的8.2倍。其原因可能是熔盐法制备的Bi4Ti3O12纳米片具有更多的活性位点,并且能够实现光生电子与空穴的有效分离;(2)采用机械混合/热处理的方法制备了具有异质结结构的Bi4Ti3O12/g-C3N4复合光催化剂,对其结构与形貌进行了表征。结果表明,复合光催化剂中形成了异质结构,其禁带宽度减小、吸收带边红移,可见光吸收增加。光降解罗丹明B的实验结果表明,Bi4Ti3O12/g-C3N4复合光催化剂的光催化活性明显优于单相Bi4Ti3O12;当g-C3N4的加入量为20wt%时,其光催化性能最佳(90min达92.8%),其表观反应常数为单相Bi4Ti3O12的4倍。复合光催化剂光催化活性提高的原因是Bi4Ti3O12与g-C3N4之间形成了异质结,显著地降低光生电子和空穴的复合几率。外加捕获剂的实验结果表明复合光催化剂的主要活性基团为空穴(h+)与超氧自由基(.O2-)。(3)以熔盐法制备的片状Bi4Ti3O12为原料,以AgNO3为银源,以H2PtCl.6H2O为铂源,采用光照还原法成功制备了Ag/Bi4Ti3O12、Pt/Bi4Ti3O12及AgPt/Bi4Ti3O12负载型光催化剂。SEM结果表明,负载金属纳米颗粒后的Bi4Ti3O12依旧保持片状结构;光催化降解罗丹明B的实验结果表明,负载Ag或Pt纳米颗粒均能提高Bi4Ti3O12的催化性能,当Ag纳米颗粒的负载量为0.1wt%时,Ag/Bi4Ti3O12负载型光催化剂具有最优的催化性能,其表观速率为单相Bi4Ti3O12的1.8倍。同样负载量下,Pt/Bi4Ti3O12负载型光催化剂的表观反应速率为单相Bi4Ti3O12的2.1倍;负载双金属后,催化剂的性能进一步提高;当m(Ag):m(Pt)=7:3时,AgPt/Bi4Ti3O12负载型光催化剂的表观反应速率为单相Bi4Ti3O12的3.7倍。
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