钨酸铋基复合材料的设计合成及其光催化性能研究

来源 :上海大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:shilibin2001
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全球能源结构持续演变,能源强度需求所带来的是严峻的环境问题,特别是有机废水又属于生物不可降解。传统的治理路径,如沉淀分离法、吸附分离法并不能高效消除有害物质,而现代技术则是基于半导体的非均相光催化反应过程和直接在太阳光下催化剂的活化驱动氧化-还原反应。利用非均相光催化反应体系将资源丰富的光能转变为化学能以达到百分百矿化有毒有机废液或有机废气目的,且不会造成二次环境污染,是一项理想的环境污染控制技术。以TiO2为代表的这类光催化剂对光响应的范围偏窄,仅局限于紫外光区域并且量子效率较低。目前,许多研究都致力于合成吸光性较好、高量子效率、高稳定性、大比表面积以及易回收的光催化剂,使其具有高的光催化效率。在众多催化材料中,铋基复合材料,尤其是钨酸铋基改性材料因由钙钛矿型(WO62-层和[Bi2O2]2+交叉堆积而成,价带由Bi 6s轨道和O 2p轨道杂化构成,导带由W 5d构成而具备独特的结构和优异的可见光催化性能而备受关注。钨酸铋纳米材料的改性合成及其性能研究也成为光催化材料研究的热点之一。本文以钨酸铋为基础光催化材料,采用溶剂热法成功制备了g-C3N4/PPy/Bi2WO6三元花状复合材料,以及Bi2WO6/TiO2二元纳米带复合材料,并对两种复合材料的形貌结构、生长机理和光催化性能进行全面系统的研究。硕士阶段的研究工作主要包括以下两个部分:(1)以硝酸铋、钨酸钠分别为铋源、钨源,通过水热法利用PPy和g-C3N4与Bi2WO6分子间相互作用成功制备了类似花状结构的g-C3N4/PPy/Bi2WO6复合材料。其中使用三聚氰胺(C3H6N6)为原料,采用热缩聚合法制备石墨相氮化碳(g-C3N4)纳米片;用化学氧化法,以吡咯为单体制备聚吡咯(PPy)。通过XRD、SEM、TEM、BET、FT-IR、XPS、DRS技术系统研究g-C3N4/PPy/Bi2WO6的形貌、结构以及吸光性能。花状g-C3N4/PPy/Bi2WO6是由25nm的g-C3N4纳米颗粒和100-200nm的PPy颗粒修饰在3D Bi2WO6花球的纳米片上,花球尺寸大概在3-5μm。我们对其生长原理进行了探讨发现奥斯特瓦尔德熟化是花状结构形成的关键机理。最后通过评估在可见光下降解罗丹明B的效率,并与g-C3N4、Bi2WO6、PPy/Bi2WO6、PPy/g-C3N4、g-C3N4/Bi2WO6样品做了对比,探索在复合材料光催化性能中高分子材料的影响。实验结果表明:PPy在多组分复合材料中担任g-C3N4、Bi2WO6之间的电荷传输桥,Z体系保留了g-C3N4导带(CB)中具有高还原能力的电子和Bi2WO6价带(VB)中具有高氧化能力的空穴,所以Z体系g-C3N4/PPy/Bi2WO6在可见光下的光催化效果优于g-C3N4、Bi2WO6、PPy/Bi2WO6、PPy/g-C3N4、g-C3N4/Bi2WO6样品。(2)利用P25纳米颗粒,以三步法:碱水热法、酸处理法和热退火法,自组装制备TiO2纳米带。引入铋源、钨源再进一步通过溶剂热法,经乙二醇的络合作用将Bi3+成功负载在TiO2表面制备了Bi2WO6/TiO2纳米带。以在紫外光、可见光下对罗丹明B(RhB)的降解效率为评价标准,探究不同的Bi2WO6摩尔含量对Bi2WO6/TiO2异质结的作用。当Bi2WO6与TiO2处于最佳摩尔比率时,异质结作用使光催化性能最优化,即在可见光照射下,当Bi2WO6:TiO2的摩尔比率在0.3:1时,50mg的Bi2WO6/TiO2催化剂在150min内降解了60%的20mg/L的RhB。
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