【摘 要】
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随着工业化进程的不断推进,环境污染问题日益突出。环境中存在的各种污染物破坏生态平衡,甚至威胁到人类的健康,如何有效的去除成为目前急需解决的问题。半导体光催化技术作为一种高效、绿色、无污染的方法被广泛应用于环境有机污染物的降解。Ti O2等传统光催化剂的光响应局限在紫外光范围,仅占太阳光能量的5%,导致其催化效果无法满足实际应用的需求。卤氧化铋(Bi OX)以其独特的层状结构、制备成本低、光催化效率
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随着工业化进程的不断推进,环境污染问题日益突出。环境中存在的各种污染物破坏生态平衡,甚至威胁到人类的健康,如何有效的去除成为目前急需解决的问题。半导体光催化技术作为一种高效、绿色、无污染的方法被广泛应用于环境有机污染物的降解。Ti O2等传统光催化剂的光响应局限在紫外光范围,仅占太阳光能量的5%,导致其催化效果无法满足实际应用的需求。卤氧化铋(Bi OX)以其独特的层状结构、制备成本低、光催化效率高等特性,成为近年来光催化去除环境有机污染物领域研究热点。然而Bi OX依然受到光吸收范围有限、光生电子-空穴对复合率高等缺陷的限制。为了解决Bi OX存在的不足,本论文通过形貌调控以及构造异质结等改性手段获得了光生载流子高效分离的0D-2D Bi2WO6-Bi OCl和0D-3D Bi2WO6-Bi2O3/Bi OCl异质结光催化剂,有效拓展材料的光响应范围以及降低载流子复合率,实现氧四环素(OTC)、苯酚和双酚A等有机污染物的高效光催化降解。本文主要内容如下:(1)通过溶剂热法和水热法分别合成尺寸在10-20 nm的Bi2WO6纳米颗粒和0.5-1μm的Bi OCl纳米片,构造不同Bi2WO6复合比例的Bi2WO6-Bi OCl异质结光催化剂,并研究其在模拟太阳光下对OTC和苯酚的降解性能。1%Bi2WO6-Bi OCl光催化活性最高,对OTC和苯酚的降解效率分别是Bi OCl单体材料的2.7和6.1倍。自由基淬灭实验和捕获实验表明,Bi2WO6-Bi OCl的光催化活性物质是超氧自由基(·O2-)和光生空穴。通过X-射线光电子能谱、光致发光谱、紫外-可见漫反射光谱等表征分析得,Bi2WO6和Bi OCl之间形成的异质结能够有效提高光生电子-空穴对的分离效率,进而增强光催化活性。光催化稳定性测试表明,Bi2WO6-Bi OCl复合材料具备较强的光催化性能稳定性和结构稳定性,四次光催化循环实验后,氧四环素的降解率仍高于95%,在环境有机污染物的去除中具有极大的应用潜力。最后推测出Bi2WO6-Bi OCl异质结材料光生载流子可能的转移途径及其光催化机理,为环境中有机污染物的高效降解提供思路。(2)三维分级材料具备较高的光获取能力和较快的界面电荷分离能力,表现出优异的光催化活性与稳定性,得到广泛研究。但目前三维Bi OX的合成方法存在过程复杂、能耗高、溶剂毒性大等缺陷。本文通过简单的室温水解法合成2-3μm的Bi OBr纳米片,调整合成过程中KBr的使用量,成功制得Bi2O3掺杂的三维Bi2O3/Bi OBr纳米花,材料的光吸收范围扩大,双酚A光催化降解活性提高了59%。通过一步溶剂热法合成Bi2WO6-Bi2O3/Bi OBr纳米花光催化剂,XPS分析表明,Bi2WO6和Bi2O3/Bi OBr的结合过程发生了电子转移,形成接触紧密的异质结。当Bi2WO6的复合摩尔比为5%时,光催化降解双酚A的能力最强,分别为Bi2WO6纳米颗粒、Bi OBr纳米片和3D-Bi2O3/Bi OBr纳米花的11.2、8.4和5.1倍,其光催化活性物质是·O2-和光生空穴。系统研究了两种材料之间的协同效应,光催化活性增强的原因为:材料的光响应范围扩大有利于提高光生电子空穴对的数量,紧密接触的异质结界面以及匹配的能带结构加速光生电子空穴对的分离。Bi2WO6-Bi2O3/Bi OBr异质结光催化剂原料丰富、合成简单、光催化活性及稳定性高,在光催化环境净化方面有巨大的应用潜力。本研究为半导体光催化材料的结构和组成调控提供了重要参考。
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