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半导体光催化氧化技术是一种新型的环境污染治理技术。除TiO2型光催化剂外,许多非TiO2型二元或多元复合氧化物光催化剂应用于环境污染治理的开发研制取得了突出的进展。新型光催化材料,特别是以V、Ag、Nb系复合氧化物为代表的非TiO2型光催化材料引起了国内外学者的广泛关注。尽管许多新型的光催化剂在紫外光区或可见光区具有良好的光催化性能,但因其或光量子效率不高,对可见光利用率很低、稳定性差,或因为制备方法复杂、设备要求高及能耗大等苛刻条件而受到限制。因此,寻找简单、便捷、温和的光催化剂制备方法,并提高其光量子效率亦是光催化材料的一个重要研究方向。本研究围绕高活性、高能效、高利用率光催化剂的设计与开发,以浸渍法为主要合成手段,采用过渡金属和稀土元素对AgNbO3和Ag3VO4两个系列新型光催化材料进行修饰,制备了ZnO/AgNbO3异质结光催化剂、Co-AgNbO3、Pd-AgNbO3、Eu-Ag3VO4和Sm-Ag3VO4系列光催化材料,探讨了其光催化降解有机染料模拟废水的活性与光催化材料结构之间的构效关系。主要研究内容为:
1、制备了ZnO/AgNbO3异质结光催化剂,采用XRD、XPS、DRS等方法研究其晶型结构、表面形态和吸光强度,探讨了在紫外光照射下AgNbO3和ZnO/AgNbO3光催化降解亚甲基蓝(MB)染料的降解效率,考察ZnO掺杂量、热处理温度、光照时间对MB降解率的影响。XPS结果表明,Zn以ZnO的形式存在;XRD分析结果表明,Zn的掺杂并未改变本体AgNbO3的晶型结构,随着Zn掺杂量和热处理温度的提高,异质结光催化剂体系中ZnO晶相结构逐渐出现;DRS分析说明,ZnO的引入有助于提高复合催化剂在可见光区的吸收强度。光催化降解MB实验表明:由于ZnO/AgNbO3催化剂中物理异质结构的存在,有利于光生电子和空穴对的迁移,从而使得复合物具有更高的光催化性能;当ZnO掺杂量为3wt%,热处理温度为300℃,紫外光照射3 h下MB降解率达到93.5%。
2、制备了过渡金属Co、Pd掺杂的AgNbO3光催化剂,采用XRD、DRS、SEM、EDS等手段对催化剂进行表征,探讨了Co-AgNbO3和Pd-AgNbO3光催化降解亚甲基蓝活性,考察了Co、Pd的掺杂量、热处理温度、光照时间对光催化降解亚甲基蓝的效率的影响。实验结果表明:掺杂过渡金属后,AgNbO3晶型及表面形貌没有发生变化,但在可见光区对光的吸收得到有效提高。光催化降解实验表明:Co改性.AgNbO3的最佳条件是:Co的掺杂量为2 wt%,热处理温度为300℃。光催化降解MB的过程为类矿化过程。Pd的掺杂量为0.8wt%,热处理温度为400℃时,光催化降解MB效率最高,光催化降解速率约为单体AgNbO3的5倍,并且光催化降解反应符合一级反应动力学特性。
3、制备了稀土元素Eu、Sm掺杂的Ag3VO4复合催化剂,采用XRD、XPS、DRS、SEM等手段对复合材料的晶型结构、表面性质、化合价态、组成变化进行分析,探讨其在可见光照射条件下降解罗丹明B(RhB)染料的活性。实验结果表明:稀土元素分别以稳定氧化物形式分散在Ag3VO4表面,改变了单体Ag3VO4的表面构成,但对Ag3VO4晶型结构没有影响。稀土氧化物在Ag3V04O基体表面起到了电子捕获体作用,有利于光生电子和空穴的分离,从而有利于提高本体Ag3VO4光催化材料的催化活性。稀土元素的掺杂量以及热处理温度对复合催化剂的光催化降解活性有较大的影响。实验表明:Eu最佳掺杂量为3 wt%,最佳煅烧温度为300℃;Sm最佳掺杂量为2 wt%,最佳煅烧温度为300℃。