氧化钨基光催化剂的设计及性能研究

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随着社会的迅速发展,环境污染问题日益严重。印染废水污染是一种典型的工业污染,传统处理方法难以将其完全除去,而能够高效利用太阳能的光催化技术在此领域展现出优势,该技术具有节能、无二次污染等优点。发展光催化技术的关键在于设计和制备出高效的光催化剂,传统光催化剂如二氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO)等为宽带隙半导体,只对紫外光响应(仅占太阳光的5%左右),不能有效利用太阳光中占50%左右的可见光。因而,发展新型可见光响应型光催化剂迫在眉睫。三氧化钨(WO3)为N型半导体,其带隙合适(Eg<3.1 eV)能被可见光激发,并具有光电流信号强、光敏性好等优点,被应用于光催化领域。但其光生电子和空穴易发生复合,导致光催化性能较低。本文以WO3为主要研究对象,从缺陷构筑、贵金属沉积、与半导体复合等方面对其进行修饰,旨在增加材料对有机染料的有效吸附、增强对可见光的吸收能力以及提高光生载流子的分离效率,从而提升其光催化性能。本论文的主要研究成果如下:(1)为增强有效吸附,采用溶剂热法制备WO3,并在Ar/H2混合气中进行退火处理,构筑了氧缺陷型WO3(Ar/H2)纳米片。研究表明,富含氧缺陷的WO3能快速吸附有机污染物,吸附容量高达63.7 mg/g。吸附动力学研究表明,吸附过程符合准二阶方程模型,说明此为化学吸附。热力学研究表明,吸附过程是在室温下自发进行的,无需消耗能量,适用于污水处理领域。(2)虽然氧缺陷型WO3(Ar/H2)纳米片的吸附容量较大,但其却未能对有机污染物进行深度降解。因此,利用具有等离子共振效应的Ag沉积在WO3上对其进行修饰,成功构筑Ag/WO3材料。其中,光沉积2 h形成的Ag/WO3材料具有最佳性能,在90 min内对罗丹明B(RhB)水溶液的降解效率达97%。此外,通过多种光电化学表征,发现Ag/WO3具有更强的可见光吸收能力以及更高的光电流响应,表明Ag纳米颗粒(直径约为5 nm)的引入能增强材料的吸光能力,并促进光生载流子分离,使得光催化性能提升。(3)因Ag作为贵金属,价格昂贵,限制了其在实际印染废水处理中的应用,因此探寻半导体复合的方法来对WO3改性。首先通过水热法制得WO3立方体,再利用研磨法将氮化碳(CN)与WO3结合,得到CN/WO3复合材料。研究表明,WO3与CN之间形成紧密界面,二者能带匹配构筑Z型异质结构,即二者被可见光激发后,WO3导带上的电子与CN价带上的空穴相结合,而留在WO3价带上的具有较强氧化能力的空穴和CN导带上的具有较强还原能力的电子分别参与氧化反应和还原反应,使得光生载流子得到有效分离,提高了CN/WO3复合材料的光催化性能。
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