论文部分内容阅读
光催化技术由于其经济高效、操作简便和无二次污染等特点,近年来一直是科学家们的热门研究方向。InOOH作为一种宽带隙n型半导体,具备较高的氧化还原特性,逐渐被应用于光催化领域。本文选取InOOH为研究对象,通过形貌调控和构建异质结的方式,旨在提高InOOH的光催化活性及稳定性。在形貌调控方面,本文利用丙三醇作为溶剂热反应的调控溶剂,通过调节不同的丙三醇比例以实现对牡丹花状InOOH的形貌控制,阐述了丙三醇对InOOH结构和形貌的影响,筛选出InOOH最佳形态（牡丹花状）的制备条件,最终以诺氟沙星作为目标污染物,研究了不同形貌的InOOH对其光催化活性的影响,并对其光催化降解路径和机理进行了详细分析。构建异质结方面,本文利用新型的p型多元金属氧化物FeTaMoO7与牡丹花状InOOH复合,构建了一种p-n异质结结构,考察了异质结的引入对InOOH的理化性质及对诺氟沙星和罗丹明B光催化活性的影响,并对其光催化降解机理进行了研究。本论文的主要结论如下:1、通过丙三醇辅助溶剂热法成功制备了一种新形貌的牡丹花状InOOH催化材料,证明了丙三醇对InOOH的结构和形态起着至关重要的作用。通过对溶剂热反应因素的研究,筛选出牡丹花状InOOH的最佳制备条件:丙三醇的比例为25%,反应温度为200℃,反应时间为12 h。实验制备的InOOH的形态是由纳米片组装成的牡丹花状,颗粒大小分布均匀,平均颗粒直径约为2-5μm。莫特肖特基曲线证明了InOOH为n型半导体,且相对于标准氢电极电位,其导带电位为-0.47 V,价带电位为3.18 V,禁带宽度为3.65 e V。2、牡丹花状InOOH对诺氟沙星表现出优异的光催化活性。在紫外光照射180 min内,其对诺氟沙星的降解效率达到98.84%,一级速率常数分别是文献中报道合成的六角星形InOOH和InOOH纳米片的4.8倍和1.7倍。合成的牡丹花状InOOH具有较好的光吸收能力、较高的光生电子与空穴的分离率和较低的光生电子与空穴的复合率,这是其光催化活性提升的主要原因。经过四次循环实验,牡丹花状InOOH样品仍保持了高效的光催化活性,其相结构、比表面积、形貌和表面化学成分均处于良好状态。质谱图检测出了诺氟沙星11种可能的中间降解产物,并由此提出了四种可能的光催化降解路径。路径I是脱羧、脱氟和脱甲基过程;路径II主要是喹诺酮基团的开环;路径III主要是哌嗪环的破坏;路径IV为苯环的开环。光催化降解过程中参与的活性物质有h+、·OH自由基和·O2-自由基,且·O2-自由基起主要作用。3、采用固相烧结法合成了一种新型的多元金属氧化物FeTaMoO7,然后利用溶剂热法制备了不同比例的FeTaMoO7/InOOH异质结催化剂。制备的FeTaMoO7属于空间群为P42/mnm的四方晶系结构,晶格参数分别为a=0.4666 nm,b=0.4666 nm,c=0.3032 nm,结晶度良好,产物呈不规则球形,颗粒大小分布不均,颗粒直径约为1-7μm,禁带宽度为1.83 e V,对紫外光和可见光均有一定的响应。合成的不同比例的FeTaMoO7/InOOH异质结催化剂的形貌受FeTaMoO7含量的影响,随着FeTaMoO7比例的增加,异质结催化剂的牡丹花状形态逐渐转变成球形,且颗粒直径呈现变小的趋势。5wt%FeTaMoO7/InOOH、10wt%FeTaMoO7/InOOH和20wt%FeTaMoO7/InOOH的禁带宽度分别为3.61 e V、3.33e V和3.45 e V。莫特肖特基曲线证明了FeTaMoO7为p型半导体,FeTaMoO7/InOOH复合材料成功构建p-n异质结。4、FeTaMoO7/InOOH异质结催化剂的光催化性能明显优于牡丹花状InOOH和FeTaMoO7单一催化剂。10wt%FeTaMoO7/InOOH异质结催化剂对诺氟沙星和罗丹明B表现出最佳的光催化活性,在紫外光照射180 min内,对它们的降解效率分别为99.98%和88.01%,且光催化降解数据均符合准一级动力学。其中,它对诺氟沙星降解的一级速率常数分别是FeTaMoO7和InOOH的4.3倍和1.5倍,对罗丹明B降解的一级速率常数分别是FeTaMoO7和InOOH的11.3倍和3.6倍。FeTaMoO7在一定程度上可以提高异质结催化剂的光响应能力、提高光生电子与空穴的分离率以及降低光生电子与空穴的复合率,这是异质结催化剂光催化活性得到改善的主要原因。在光降解诺氟沙星和罗丹明B的过程中的主要活性物质均为·O2-自由基。