不同沉淀剂条件下制备BiOX(X=Cl,Br)材料及其光催化性能研究

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半导体光催化技术是去除生活环境中有毒污染物的有效手段之一。新型的卤氧化铋(BiOX, X=Cl, Br, I)光催化材料拥有双卤素离子层和[Bi2O2]2+层交替排列的层状结构,这种双卤素离子层和[Bi2O2]2+层之间诱导形成的内电子场有力地提高了光生电子和空穴的分离效率。其独特的层状结构、优异的光学性能和良好的光催化活性使得BiOX成为学者们研究的热点。本论文旨在探索纳米结构卤氧化铋(BiOX, X=Cl, Br)光催化剂的制备方法,低能耗地制备和筛选出具有应用前景、稳定、高效的太阳光光催化剂。根据BiOX具有晶体结构的特点,充分考虑其成核与晶化间的关系,研究了沉淀条件对BiOX的结构、尺寸及形貌均匀性的影响,提出了适于制备BiOX的方法及沉淀条件,实现了BiOX材料在晶体结构、尺寸及形貌分布方面的可控制备;根据BiOX材料的光催化性能,研究了其在光催化降解甲基橙(MO)染料废水中的应用,并首次将制备的BiOBr光催化剂用于降解药物废水卡马西平(CBZ)研究中,开拓了BiOBr光催化氧化在处理药物和个人护理用品(pharmaceutical and personal care products, PPCPs)类废水中的应用。得到的主要研究结果如下:(1)采用水解法在三种不同沉淀剂条件下均制备出了纯度较高的BiOCl,其中以CO(NH2)2为沉淀剂获得的BiOCl光催化材料具有较高的结晶度,更窄的带隙和较高的光生电子-空穴对分离效率。(2)在模拟太阳光照射下,以MO为降解物,进行光催化性能测试实验表明以尿素为沉淀剂水解法制备的BiOCl催化剂有良好的光催化活性和稳定性,经过模拟太阳光光照60min后,对MO的降解率达到97%,重复使用4次以后对MO的降解率仍然保持在89%以上;自由基和空穴捕获实验证明了光生空穴(h+)是BiOCl光催化反应体系中的主要活性物种。(3)在不同沉淀剂条件下水解法和水热法都得到了纯度较高的BiOBr。尿素为沉淀剂水解法制备的BiOBr为1μm左右的均一花球状结构,而水热法制备的BiOBr为7.9μm左右的均一核桃状结构。XRD、DRS等表征显示了尿素为沉淀剂比其他沉淀剂制得的BiOBr有更好的结晶度,更窄的带隙。(4)降解MO和CBZ活性测试实验表明尿素为沉淀剂水解法的BiOBr具有更好的光催化活性,在模拟太阳光照射下60min时对MO的降解率为97%,照射120min对CBZ的降解率为78%。并以MO为降解物,分别对水解法和水热法制备的BiOBr稳定性进行了考察,结果显示水解法比水热法制备的BiOBr具有更好的稳定性,经过4次循环后的降解率为94%,而水热法制备的BiOBr在4次循环过后的降解率下降为88%。捕获剂实验显示空穴(h+)和超氧自由基(O2-)是BiOBr光催化反应过程中的主要活性物种。
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