助剂选择性修饰增强单晶钒酸铋光催化性能的研究

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构筑高效光催化体系对于治理环境污染、缓解能源危机具有重要意义。在各种半导体材料中,BiVO4因其丰富的原料来源、合适的禁带宽度(2.4 eV)、较正的价带位(2.43 V vs.NHE)等特点在光催化降解有机物及光解水产氧领域受到广泛关注。然而纯BiVO4中,光生载流子极易发生复合,且光生电子因导带位较正(0.03 V vs.NHE)而表现出较差的还原能力,这些都限制了其在光催化领域的实际应用。最近研究表明,晶面工程与助剂选择性修饰协同作用是实现光生载流子有效分离、传输及进行快速界面催化反应的有效策略。本论文主要围绕助剂选择性修饰单晶BiVO4光催化材料的合成、形貌结构表征、光催化降解有机物性能等方面进行了有益探索:(1)电子助剂Ag2O-Ag选择性修饰单晶BiVO4光催化材料;(2)非贵金属电子助剂Cu选择性修饰单晶BiVO4光催化材料;(3)空穴助剂FeOOH选择性修饰单晶BiVO4光催化材料。具体研究结果如下:第一,本研究首先采用水热法合成出单晶BiVO4材料,然后通过简单的光沉积及随后的低温热处理法合成出Ag2O-Ag选择性修饰的Ag2O-Ag/BiVO4光催化材料。研究结果表明:与纯BiVO4、Ag/BiVO4等材料相比,Ag2O-Ag/BiVO4的光催化降解性能明显提高,且与相同负载含量的Pt/BiVO4性能相当。Ag2O-Ag/BiVO4光催化剂的降解性能增强的基本原理是晶面工程与助剂选择性修饰的协同作用,即Ag2O-Ag/BiVO4光催化剂中光生电子与空穴发生取向传输,而选择性修饰的Ag2O-Ag助剂实现了光生电子的快速传输与界面溶解氧的还原反应。第二,开发可选择性修饰在半导体光催化剂表面的低成本且高效的电子助剂对于提高光催化剂的性能具有重要意义。本研究以单晶BiVO4作为基底材料,以Cu(NO32为Cu源,利用光沉积法将Cu选择性修饰在BiVO4的(010)面,合成出价格低廉的Cu修饰的Cu/BiVO4光催化材料。光催化降解甲基橙结果表明,Cu/BiVO4在可见光照射下的光催化降解性能明显优于纯BiVO4。当Cu的修饰含量为1 wt%时,所得到的Cu/BiVO4(1 wt%)光催化材料降解性能达到最大,其降解速率常数为0.0719 min-1。Cu/BiVO4光催化材料的降解性能提升的基本原理为晶面工程作用下光生载流子发生定向传输,而选择性修饰的非贵金属Cu作为电子助剂促进转移光生电子并加快催化反应。第三,在光催化剂表面选择性修饰价廉高效的空穴助剂是提升光催化反应的重要手段之一。本研究以FeSO4为Fe源,在纯水条件下加入Cu(NO32溶液,利用光沉积法将FeOOH选择性修饰在了BiVO4的(110)面,合成出空穴助剂FeOOH修饰的FeOOH/BiVO4光催化材料。光催化降解实验结果表明:样品FeOOH/BiVO4(3 wt%)的光催化降解性能最高,其降解速率常数为0.0884 min-1。此外,通过光沉积法将电子助剂Pt进一步选择性修饰在FeOOH/BiVO4(3 wt%)的(010)面后,双助剂选择性修饰的Pt-FeOOH/BiVO4材料的性能得到进一步提高。FeOOH/BiVO4材料光催化降解性能提升的基本原理是晶面工程改性实现了光生载流子的定向传输,而选择性修饰的FeOOH作为有效的空穴传输体能促进光生空穴的转移并加快界面催化反应的进行。
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