钨酸铋异质结构纳米纤维的静电纺丝合成及光催化性能研究

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随着我国经济的高速发展,大量的工业污染物和生活污水排放入河流中,致使我国大多城市的饮用水出现了严重的水质问题,其严重影响了我们的生活和健康。如何有效的降解各种环境污染物,成为众多学者的研究方向。钨酸铋(Bi2WO6)是一种带隙较窄的半导体,其带隙约为2.7eV,可以在可见光下光降解污染物,其光催化效果显著,成为该领域的研究重点。目前Bi2WO6光催化剂的制备方法主要是水热法,这种方法所获得的产物多为层状多级结构,其吸附能力较强,光催化活性不明显,且样品容易团聚,不利于光催化降解后的分离处理和再利用。因此,需要研究制备一种一维结构组成的,具有空间网状结构的钨酸铋材料来提高其催化活性。本文利用静电纺丝技术分别制备出片/粒共混型Bi2WO6,Bi2WO6纳米纤维,Bi2WO6微米带,TiO2/Bi2WO6异质纤维。研究了各种样品在可见光下的光催化降解活性。结果显示,静电纺丝技术制备出的钨酸铋具有良好的可见光下反应活性。本文做了以下几方面实验和研究。  (1)低维钨酸铋的静电纺丝制备研究  从理论上讨论了静电纺丝制备钨酸铋一维形貌的形成机理,通过一系列的实验探索,确定了控制溶胶透明度的工艺参数。通过添加络合剂可以获得澄清的钨酸铋溶液,又通过添加聚乙烯吡咯烷酮来调整电纺溶胶的粘度。在静电纺丝过程中,通过调节电压以及控制两极板之间的距离,可以成功获得一维结构的钨酸铋纳米纤维。通过凝胶纤维样品的差热分析来确定焙烧的温度以及升温速度。通过具体的静电纺丝制备钨酸铋实验,我们制备了具有片状结构的钨酸铋。但是片状结构中依然夹杂着颗粒状的钨酸铋。这说明:仅靠柠檬酸的配位作用,无法配的完全透明的溶胶,从而也得不到均一形貌的钨酸铋片。这种混合型钨酸铋表现出了优良的光催化降解性能。  (2)电纺制备Bi2WO6纳米纤维及其光降解性能研究  首先,通过控制柠檬酸和氨水的用量得到透明的电纺溶胶,然后电纺获得钨酸铋凝胶纤维,再经焙烧得到一维的钨酸铋纳米纤维。柠檬酸和氨水的用量对钨酸铋纳米纤维的形成具有重要的作用。通过在可见光下光降解MB实验,可以得出钨酸铋纳米纤维具有优良的光催化降解活性,其光催化效果比水热法制备的钨酸铋纳米片要好。另外,通过循环光催化降解MB试验,可以得出静电纺丝制的钨酸铋纳米纤维具有良好的光催化稳定性,适于循环利用。  其次,通过加入硝酸抑制硝酸铋的水解,再联合柠檬酸的络合作用,也可以制备出透明的钨酸铋溶胶,从而得到由纤维状构成的钨酸铋纤维毡。其升温速率和保温时间对纳米纤维毡的形成有很大的作用。制备出的纤维毡,在可见光下对MB有良好的吸附和光降解作用。  (3)Bi2WO6微米带的可控合成及其光降解亚甲基蓝  上面实验中抑制硝酸铋水解的为硝酸,具有很大的腐蚀性,对静电纺丝机和收集板具有不可逆的破坏。因此,本研究中用盐酸取代了强氧化性的硝酸。通过控制溶胶,电纺,温度等实验条件,首次制备出了由纳米颗粒构成的一维的钨酸铋微米带。通过可见光下光催化降解MB得出钨酸铋微米带的光催化活性要强于固相法制备的钨酸铋,也好于前面的钨酸铋纳米纤维。  (4)TiO2/Bi2WO6异质结构纳米纤维的静电纺丝合成  前面利用静电纺丝制备了钨酸铋纳米纤维,钨酸铋纳米纤维毡,钨酸铋微米带。然后,在此基础上利用静电纺丝的方法合成了TiO2/Bi2WO6异质结构的半导体纤维。这种异质结构纤维与纯的钨酸铋纳米纤维相比,具有大的比表面积和多孔结构。这些结构特点有助于增强它们的光催化降解活性。通过在可见光下光催化降解MB实验得出,制备的TiO2/Bi2WO6异质结构的半导体光催化剂有良好的光催化效果。  (5)低维钨酸铋光催化材料的应用研究  所有静电纺丝法,水热法以及固相法制备的钨酸铋,在可见光下进行系统的光催化性质比较。样品分别光降解亚甲基蓝溶液,模拟废水硝基苯和造纸废水。其光催化结果显示:异质结构TiO2/Bi2WO6纤维优于Bi2WO6微米带优于Bi2WO6纳米纤维优于片粒共混的Bi2WO6优于Bi2WO6纳米片优于Bi2WO6纳米颗粒。结果说明,静电纺丝制备的钨酸铋材料具有良好的可见光下光催化活性,并且加入少量二氧化钛后,钨酸铋纳米纤维的光催化效果进一步加强。
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