几种铁酸盐(ZnFe2O4、LaFeO3)半导体异质结构光催化剂的合成及光催化性能

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传统半导体光催化剂TiO2由于其自身带隙较宽,只能吸收太阳光谱中比例很低的紫外光部分且量子效率相对较低。而铁酸盐材料具有较窄的禁带宽度(2.0 e V左右)并且耐光腐蚀性强,被认为是一类极具发展前景的新型半导体光催化剂材料。因此,研发具有可见光活性的新型光催化剂,已经成为当前备受关注的研究课题。本论文首先概述了当前国内外对传统光催化剂改性以增强其光催化降解有机污染物性能的研究现状及面临的问题,提出了一些新的研究思路,然后系统总结了笔者在攻读硕士学位期间以“几种铁酸盐(ZnFe2O4、LaFeO3)半导体异质结构光催化剂的合成及光催化性能研究”为题所做的研究工作,主要涉及以下两个方面的研究内容和成果:1)本文首次采用两步水热法制备了一种新型磁性可分离的Cu2ZnSnS4/ZnFe2O4p-n异质结构纳米光催化剂。通过形貌和微观结构表征表明,成功地将p型的Cu2ZnSnS4(CZTS)纳米片组装在ZnFe2O4(ZFO)纳米球表面,形成CZTS/ZFO p-n异质结构。一系列的实验研究结果表明,这种p-n异质结构不仅可以有效地扩展光谱响应,促进光致电荷的分离,而且可以增加光催化和光芬顿反应的比表面积。这些因素导致p-n异质结构的CZTS/ZFO纳米光催化剂,加H2O2后在可见光照射下对甲基橙(MO)的降解具有显著的增强,与纯ZFO相比,在120 min内去除率可达91%。这些优异的性能应归因于CZTS/ZFO p-n异质结构与光芬顿反应相结合的协同增强效应。这可以通过探索自由基清除剂的优势效应和羟基自由基(·OH)在p-n异质结构纳米光催化剂表面的产率(·OH)来证实。此外,CZTS/ZFO p-n异质结构纳米光催化剂具有稳定、易于分离的性能,在有机污染物的光氧化降解方面具有广阔的应用前景。2)采用简单的两步水热法,设计并成功制备了一种由LaFeO3(LFO)纳米粒子覆盖在NiS纳米片上的新型异质结构NiS/LFO光催化剂。将其用于光降解MO染料,去除率可高达90.9%,反应速率常数为0.0169 min-1,约为纯LFO(0.0014 min-1)的12倍。详细的研究结果表明,NiS/LFO之所以具有如此优异的光催化性能,是因为其比表面积更大,提供了更多的活性位点,NiS的纳米片结构可以不受阻碍地传输光生电子。本研究为设计和制备基于LFO的新型高效异质结构光催化剂提供了新的思路。
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