水热合成Bi2WO6及其光催化性能研究

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纳米光催化材料作为催化剂能催化降解数千种有毒害的化合物,它在光催化反应中条件温和、无毒害、无二次污染,是非常有发展前景的环保材料,而太阳能又是取之不尽的能源,因此利用太阳能光催化降解有机污染物对解决环境问题具有重要意义,而可见光响应光催化剂的研制是实现太阳光高效利用的关键。近年来,由于Bi2WO6催化剂在可见光下表现出了良好的光催化活性,因此对Bi2WO6的制备及可见光催化性能的研究广泛引起人们的关注。研究表明,通过改变合成条件可以调控Bi2WO6的形貌进而达到改善其光催化性能的目的。然而,如何有针对性地提高催化反应的光量子效率,揭示Bi2WO6的构效关系,从而进一步指导可控合成高效光催化降解污染物的催化剂仍是该领域研究的热点和挑战。本论文主要研究了不同制备条件对Bi2WO6光催化剂的结构与性质的影响,采用X—射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、紫外—可见漫反射光谱(UV-Vis diffuse)、N2等温吸附—脱附等技术表征了催化剂的结构和性质,并且对Bi2WO6光催化剂在可见光下催化降解染料甲基橙的催化性能和动力学行为进行了研究,讨论了催化剂的结构、性质对其光催化性能的影响。首先,考察了不同制备方法(水热法、沉淀法、柠檬酸法)和制备条件对Bi2WO6催化剂的结构、性质以及可见光催化降解甲基橙性能的影响。研究发现,采用水热合成法制备的Bi2WO6催化剂光催化降解甲基橙性能最高,即在催化剂用量为1g/L、100mL浓度为10mg/L的甲基橙溶液、可见光照射4h的反应条件下,甲基橙的降解率可达到70.3%。该催化剂对应的优选水热合成条件为:以硝酸铋和钨酸铵为无机源(混合溶液pH=7)、三嵌段共聚物F127为表面活性剂、在200℃下水热处理24h。其次,以最佳水热合成条件制备所得的Bi2WO6催化剂为研究对象,重点考察了制备体系pH值(pH=2、5、7和10)对催化剂形貌和半导体带隙能等性质以及光催化降解甲基橙的催化性能的影响。研究结果表明,制备体系的pH值明显影响催化剂的形貌和半导体带隙能。从扫描电镜结果可看出,当制备体系的pH值为2和10时,Bi2WO6催化剂的形貌为短带状;而当制备体系的pH值为5和7时,Bi2WO6催化剂的形貌为薄片状。紫外-可见漫反射的结果表明Bi2WO6半导体的带隙能随着制备体系pH值的增大而增大,可见光吸收性能在pH=2时最好。另外,制备体系pH值与催化剂光催化降解甲基橙性能密切相关,制备体系pH=2时制成的Bi2WO6催化剂光催化性能最高,这主要归功于其具有在可见光区最窄的的半导体带隙能和最大的比表面积。最后,考察了反应条件:催化剂用量、反应时间、甲基橙溶液初始浓度、甲基橙溶液的pH值对催化剂活性影响的规律。并且对Bi2WO6可见光催化降解甲基橙反应的动力学进行了研究,结果表明反应符合拟一级反应动力学规律,反应速率常数随制备体系pH值的减小而增大。
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