铋系催化剂对全氟辛酸的降解机制研究

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全氟辛酸(Prefluoroocatanoic acid,PFOA)是一种广泛应用于工业和民用产品中的典型全氟化合物,其具有毒性。光催化法可有效降解大部分有机污染物,研究光催化降解PFOA的机制,不仅可以充实难降解有机物的处理方法,还可以为高效降解全氟化合物提供良好的新思路。本论文选取低浓度的PFOA为研究对象,以光催化技术为方法,首先搭建了完整且实用性强的光催化反应装置,并建立了PFOA及产物的分析和光催化反应体系,其次采用快速微波溶剂热法制备出了结构稳定性高,分散性好,团聚少,晶粒完整且结晶性好的氧空位BiOCl,最后通过掺杂的方式合成出了可见光响应范围大大增加的Br/I掺杂BiOCl,本论文的主要内容包括以下五章:第一章,主要总结阐述了与本论文相关的国内外研究进展和现状,并在此基础上,提出了本论文研究的必要性和意义所在。第二章,主要罗列了本论文相关实验所需要使用的试剂和仪器以及一些表征手段和所使用仪器的有关信息,展示了光催化反应装置并阐述了光催化反应步骤及PFOA和产物的分析评价方法。第三章,以BiOCl为例,研究表面氧空位对PFOA光催化脱氟的影响。通过微波溶剂热法合成出表面缺陷BiOCl,与传统溶剂热法和沉淀法合成的BiOCl进行光催化PFOA脱氟的性能比较,结果是用微波溶剂热法制备的BiOCl显示出比沉淀法和传统溶剂法制备的BiOCl更好的光催化性能,分别是二者的33.8倍和2.7倍。其优良的光催化性能主要由于它较高的氧空位浓度,可以通过在能带结构内形成缺陷态来抑制e-和光生h+重组,因此产生更多的光生h+可用于直接h+氧化脱氟。这项工作建立了通过常规且快速的微波辅助方法实现利用表面氧空位光催化处理全氟羧酸化合物的方法,对空穴氧化PFOA的研究大有裨益。第四章,通过掺杂的方式制备了不同比例的BiOClxBr1-x(X=0.2,0.4,0.6,0.8)和BiOClxI1-x(X=0.2,0.4,0.6,0.8),通过测试和分析结果发现BiOCl0.2I0.8的催化剂降解效果最佳,原因是掺杂使催化剂的禁带宽度变小,吸光度增强,这就会使价带上的电子被激发到导带上去所需的激发能量也相应地减少,而I掺杂的光催化效果优于Br掺杂,因为I元素的掺入在催化剂的内部构建了更为复杂的异质结构,分离了光生电子-空穴的效率更优,保证了光生空穴的氧化活性。而且I元素的掺入大大的增加了催化剂对可见光的吸收范围,将其禁带宽度减小到2.38eV,增加了催化剂对可见光的利用率,也就增加了光催化的效率。这项工作开发出了设计和制造在可见光下降解PFOA的高效光催化剂的新策略,提高BiOCl可见光催化活性,对BiOCl的实际应用产生了非常重要的影响,为PFOA的可见光降解提供了可行的方法。第五章,主要是对这篇论文的总结与对实际应用价值的展望。
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