钒酸铋(BiVO4)基光催化剂的构筑及其对亚甲基蓝的降解研究

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亚甲基蓝(MB)是一种阳离子染料,在染料业中应用较为广泛,其中含有各种难降解的有机物,若没有经过有效处理而直接排放至水体中,会降低水体透明度,影响水体动植物的光和作用,降低水体自净能力,危害人类生产生活。光催化降解技术是一项新型、绿色环保的水处理技术,其核心是催化剂,而钒酸铋(Bi VO4)则是一种能在可见光响应型的半导体光催化剂,在可见光的照射下能够光催化降解水体中的各类污染物,如:染料分子,抗生素分子等。但纯Bi VO4的光生空穴-电子对的分离时间非常短,极大的限制了它的光催化降解效率。因此,目前国内外对于Bi VO4的研究主要致力于异质结构的构筑、负载及形貌等来提高Bi VO4的光催化降解性能。本文研究了水热法合成过程中水热时间、水热温度以及前驱液p H值对Bi VO4理化性质的影响;通过P25、Ag以及P25+Ag的掺杂来提高Bi VO4的光催化性能,以亚甲基蓝溶液模拟的染料废水为探针,测试Bi VO4、Bi VO4/P25、Bi VO4/Ag、Bi VO4/P25/Ag的光催化性能;并运用XRD、TEM、HRTEM、SEM、XPS、UV-Vis、Raman、FI-IR等先进表征测试技术来综合分析P25、Ag、P25+Ag的掺杂对Bi VO4的光催化性能的影响,具体研究内容如下:(1)在水热法合成Bi VO4的过程中,通过控制水热时间、水热温度以及前驱液p H值,详细研究了以上条件对Bi VO4的晶型、形状及光催化性能的影响。结果表明水热时间、水热温度以及前驱液p H值对Bi VO4晶型的影响力大小依次为:水热时间>前驱液p H值>水热温度。通过SEM、TEM、HRTEM对不同水热时间Bi VO4的形貌进行分析,推断Bi VO4的生成过程为:首先反应形成光滑的类球状,随着水热时间的增长光滑的球体表面逐步分化出许多的多面体状;水热时间为14 h时,类球状表面形成的多面体从其母体脱落,且随着水热时间的进一步增长,脱落的晶体粒径变大且出现团聚现象。(2)采用一步水热法制备了Bi VO4/P25异质结构(P25:紫外波段响应型光催化剂,是Evonik Degussa Gmb H在商业上提供的纳米级Ti O2,其中80%为锐钛矿型,20%为金红石型)与纯Bi VO4相比,Bi VO4/P25样品具有较好的光催化活性和对亚甲基蓝溶液的吸附能力。在可见光(550 W氙灯,λ>420 nm)照射下,60 min内,Bi VO4/P25对亚甲基蓝溶液的降解率达85%。采用了XPS、Raman、FT-IR等测试技术对Bi VO4/P25纳米复合材料进行了表征。HRTEM显示Bi VO4的结构为由多面体组成的花状。与纯Bi VO4相比,Bi VO4/P25复合材料具有更粗糙的表面和更大的比表面积,这一特点可以有效提高Bi VO4的光催化活性和对亚甲基蓝的吸附性能。(3)采用水热法和光还原法合成了Bi VO4/Ag异质结构。在可见光(550 W氙灯,λ>420 nm)照射下,Bi VO4/Ag对亚甲基蓝溶液在150 min内的降解率达95%,与纯Bi VO4相比,其光催化效率提高了约50%。从SEM和XRD中可以发现Ag+的掺杂对Bi VO4晶型和晶面的生长没有影响;Ag+的掺杂使Bi VO4/Ag异质结构的比表面积比纯Bi VO4有所提高,同时Bi VO4/Ag异质结构的表面形貌也比纯Bi VO4表面粗糙,这有利于对亚甲基蓝等有机污染物的吸附。通过UV-Vis表征可知Bi VO4/Ag异质结构的光吸收范围较纯Bi VO4有所红移,这便有效地证明了Bi VO4/Ag异质结构在可见光(550 W氙灯,λ>420 nm)照射下的光催化活性高于纯Bi VO4。(4)采用光还原法和水热法合成了Bi VO4/P25/Ag三元复合结构光催化剂;以亚甲基蓝溶液为探针,测试Bi VO4/P25/Ag的光催化降解效果,结果表明Bi VO4/P25/Ag三元复合结构光催化剂对亚甲基蓝溶液的降解能力要比Bi VO4/P25和Bi VO4/Ag差。
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