表面修饰Bi2WO6的构筑及其光催化还原CO2的研究

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Bi2WO6晶体作为Aurivillius族化合物代表,具有(WO42-、(Bi2O22+堆叠形成的二维层状结构。正是由于这种独特的微观构型,使得Bi2WO6具有较强的内建电场,较大的比表面积以及表面大量暴露的活性位点,这些结构特点有利于光催化活性的提高。然而,由于Bi2WO6自身可见光响应范围较小、导带电势无法满足CO2还原电势的需求、电子-空穴对复合程度严重,这些不足限制其在光催化还原CO2领域的应用。因此,本文通过多种表面修饰手段来提高Bi2WO6的光响应性和光催化还原能力,并通过对材料组分、微观形貌和能带结构等方面分析,探究表面修饰处理前后其光电性能和光催化还原CO2反应的差异,讨论催化反应活性增强的内在机理。针对Bi2WO6光催化剂,本文主要从以下三个部分开展工作:(1)以石墨烯量子点(GQDs)作为光敏化剂,辅助碱刻蚀后处理法引入氧空位(Vo)协同修饰Bi2WO6光催化剂。紫外可见漫反射光谱和X-射线光电子价带能谱等测试表明GQDs和Vo修饰后的Bi2WO6光催化剂禁带宽度变窄,导带位置更负。光致发光光谱和光电流密度等测试表明光敏化处理和引入氧空位修饰后,复合材料光生电荷载流子的分离能力明显增强。光催化还原CO2实验结果显示CH4最高产率是102.75μmol·g-1·h-1,CO最高产率是46.68μmol·g-1·h-1。(2)利用一锅法水热处理制备出同时含有铋空位(VBi)、氧空位(Vo)的Bi2WO6,构筑阴阳离子型双缺陷光催化剂。通过调控前驱体浓度的不同以及乙二醇还原剂量的差异,成功将铋空位、氧空位引入到Bi2WO6光催化剂中。电子顺磁共振和X-射线光电子能谱测试证明铋空位、氧空位被成功引入到光催化剂中。活性测试显示CO2还原产物CH4、CO产率最大值分别是91.64μmol·g-1·h-1、87.99μmol·g-1·h-1。Bi2-xWO6-y光催化剂不仅具有CH4的高转化率,还拥有更为优异的CO转化率和选择性;且能够还原生成液相产物CH3OH,光照5h总产量为193.89μmol/g.cat。(3)通过液相合成法成功将富含路易斯碱基的Cu2O复合到Bi2WO6-y表面,并通过X-射线衍射(XRD)证实Cu2O晶体固载于Bi2WO6-y主催化剂颗粒表面。复合光催化剂的光响应能力获得明显提高,更多CO2分子被富集在碱性活性位点上参与后续反应;X-射线光电子能谱(XPS)测试证明Cu2O表面富含氧缺陷和Cu1+物种有助于光生电子的传输和分离。CO2催化还原数据显示,CH4最高产率是72.87μmol·g-1·h-1,CO最高产率是91.58μmol·g-1·h-1,CH3OH在5h光照总量达到308.21μmo L/g.cat。
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