Ag10Si4O13基光催化材料的改性及性能研究

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染料废水具有化学需氧量(COD)和生化需氧量(BOD)高、有机污染物含量高、色泽度深、含盐量高等特点,是最难处理的工业废水之一。光催化技术是一种直接利用太阳能来降解污染物的可行技术,具有成本低、毒性低、反应条件温和、反应速率高和绿色环保等优势。硅酸银基光催化材料因为其在可见光条件下具有优异的降解能力而得到了广泛的关注。传统固相法制备的Ag10Si4O13晶粒尺寸大,样品均一性差。近年来本课题组采用溶胶-凝胶法制备的纳米Ag10 Si4013粒径小,样品均一性好,但仍存在颗粒易团聚,光生载流子复合率高,稳定性差的问题。稀土元素掺杂及构建异质结可有效提高载流子的分离效率,促进电荷的转移,增强对污染物的降解能力。鉴于此,本文以纳米Ag10 Si4O13为基体,制备了性能优异的La3+掺杂体系和g-C3N4 Z型异质结体系,结合光电化学表征及光催化性能测定,厘清了不同La3+掺杂量和g-C3N4复合量对Ag10Si4O13晶体结构,光电性能及光催化性能的影响规律,阐明了体系成分与光催化性能之间的构效关系,揭示了 La3+掺杂和g-C3N4复合对Ag10Si4O13的光催化性能的影响机制。得出结论如下:(1)通过溶胶-凝胶法实现了不同La3+掺杂的系列Ag10Si4O13光催化剂的可控制备。掺入La3+后Ag10Si4O13的XRD图谱发生偏移并产生Ag单质,由于Ag单质产生的表面等离子体共振效应复合光催化剂在紫外与可见光区域的吸收都有增强,对太阳光的利用率得到了有效提高。在模拟太阳光下降解染料MO发现,当La3+掺杂量为1 wt%时,光催化降解效率相比Ag10Si4O13提高了 60%。La3+掺杂后在Ag10Si4O13内部产生了杂质能级,使得带隙减小,结合Ag单质产生的表面等离子体共振效应,进一步增强了载流子的分离速率。(2)采用煅烧法制备了片状 g-C3N4,并结合溶胶-凝胶法实现了Ag10Si4O13/g-C3N4 Z型异质结的可控制备。当片层状的g-C3N4引入Ag10Si4O13后复合材料形成了多孔结构,比表面积增加了 1.5倍,改善了 Ag10Si4O13的团聚情况,提高了吸附性能。其中Ag10Si4O13/g-C3N4(AC-2.5)复合光催化剂对MB的吸附性能最佳,在60分钟里达到了 32%,相比Ag10Si4013提高了一倍。在模拟太阳光下降解了阳离子染料(MB、RhB)和阴离子染料(MO),Ag10Si4O13/g-C3N4(AC-2.5)复合光催化剂都表现出较好的光催化性能,在40 min时可以完全降解MB,在50 min内对MO和RhB的降解率分别达到了 90%和97%。四次循环实验后,AC-2.5对MB的光催化降解效率还能保持在96%,对每次循环实验回收的样品测试XRD,发现循环过程中发生光还原产生了 Ag单质,但是AC-2.5 仍保持良好的服役性能,这是因为 Ag 单质在可见光诱导下引起了表面等离子体共振效应,提高了光吸收效率和载流子分离率。(3)通过掺杂La3+和与g-C3N4构建异质结的方式都可以使Ag10Si4O13对MO的降解率达到90%以上。La3+掺杂体系中,通过Ag单质产生的表面等离子体共振效应和掺杂能级的协同作用,使光催化剂表现出较强的光生载流子分离效率和太阳光利用效率;在与g-C3N4构成异质结体系中,通过形貌调控和Z型异质结结构的协同作用,使光催化剂表现出优异的吸附能力、载流子分离效率和氧化还原能力。这项工作可为光催化剂的改性研究和染料废水的处理提供理论支持。
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