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随着经济的快速发展与人口的迅猛增长,能源短缺与环境污染问题已经成为人类社会共同面临的严峻挑战。半导体光催化技术因其材料具有利用可再生的太阳光能以及化学稳定性高、量子产率出众等特点,成为目前解决能源短缺与环境污染问题的有效方法之一。在众多可见光催化剂中,钼酸盐半导体材料因其独特的光电性能、相对合适的能带位置而受到了研究者的广泛关注。然而,钼酸盐的光吸收范围仍不够广泛,较高的光生载流子复合率也桎梏了其在实际生产中的应用。此外,部分研究发现,钼酸根离子团在形成晶体的过程中易发生聚合现象,形成Mo2O72-,Mo3O102-,Mo4O132-等离子团。而目前对于聚合钼酸根离子团与光催化活性之间的关系研究仍未见相关报道。本课题以 Fe2(MoO4)3,Ag2MoO4,Ag2Mo2O7,Ag2Mo3O10,Ag2Mo4O13 和Bi2MoO6多种钼酸盐为研究对象,采用离子掺杂,构筑异质结,贵金属负载等改性手段拓展半导体材料的可见光吸收范围,增强其光生载流子分离效率以及诱导产生新的活性基团等方法提升钼酸盐的可见光催化活性,构建新型高效的可见光催化降解有机污染物体系。除了通过改性手段提升钼酸盐光催化剂的催化活性外,本研究还设计合成了一系列聚合钼酸银样品,通过表征实验与理论计算相结合的手段系统性的探究了钥酸根聚合现象与可见光催化活性之间的关系,为设计合成新型可见光催化体系提供了新思路,也为完善光催化机理提供了理论依据。取得的研究成果如下:(Ⅰ)通过水热法合成了非金属元素N掺杂的Fe2(MoO4)3高效可见光催化剂,并对N-Fe2(MoO4)3样品的光电性能进行了全面表征,进而对非金属元素掺杂提升半导体光催化剂可见光催化活性的机理进行了探究。此外,本研究着重探究了 N-Fe2(MoO4)3催化剂降解无色四环素有机污染物的催化反应进程。研究发现:(1)XRD、拉曼光谱等表征证明了 N元素成功被引入Fe2(MoO4)3晶格内,并形成了掺杂能级,由于掺杂能级的存在,催化剂体系的光吸收范围得到了一定拓展。(2)由于N3-掺杂进入Fe2(MoO4)3晶格内取代O2-会产生一定数量的氧空位,这些氧空位的生成有效的促进了催化体系中光生载流子的分离,进而提升了N-Fe2(MoO4)3样品的可见光催化活性。(3)为了进一步评估光催化剂的催化性能,本研究选用了无色抗生素四环素为目标物,评估光催化剂催化效果,并合理推断出四环素在N-Fe2(MoO4)3催化体系中降解的详细反应过程。(Ⅱ)在钼酸盐合过程O,我们发现钼酸根离子团具有聚合形成Mo2O72-,Mo3O102-,Mo4O132-等离子团的趋势。然而,针对钼酸根聚合现象与光催化活性之间的关系研究仍未见报道。因此,我们通过调控反应温度,溶液体系酸碱度以及反应物含量等条件合成了一系列Ag2MoO4,Ag2Mo2O7,Ag2Mo3O10和Ag2Mo4O13样品,通过Materials Studio理论计算与实验数据相结合的方式系统性的探究了钼酸根聚合现象与光催化反应活性之间的关系。研究发现:(1)Ag2MoO4,Ag2Mo2O7,Ag2Mo3O10,Ag2Mo4O13系列样品的禁带宽度逐渐减小,并直接导致材料的可见光响应范围逐渐拓宽。(2)Ag2MoO4,Ag2Mo2O7,Ag2Mo3O10,Ag2Mo4O13系列样品中Mo-O键的键长与键能呈现规律性变化,这种变化会在半导体内部产生剩余电势,影响光生载流子的分离。(3)光催化实验表明,聚合现象可以有效提升光催化剂的可见光催化活性,说明钼酸根聚合现象可以成为设计合成新型有效可见光催化剂的新策略。(Ⅲ)在 Ag2MoO4,Ag2Mo2O7,Ag2Mo3O10和Ag2Mo4O13系列半导体的研究中我们发现,部分聚合钼酸银样品虽具有一定的光催化活性,但是其仍具有光化学稳定性不佳,光生载流子分离效率低等缺陷。并且受其能带位置的限制,这些聚合钼酸银样品在光催化反应过程中不能产生某些特定的活性基团或活性基团产量有限。为进一步提升钼酸银系列光催化剂的光催化活性,分别设计合成了Fe3O4-C3N4-Ag2MoO4 和 Ag@AgBr-Ag2Mo3O10 三元体系。其中,在Fe3O4-C3N4-Ag2MoO4三元体系中,C3N4-Ag2MoO4构成了典型的Z-型异质结结构,这一结构大大促进了光生载流子的分离。此外,含有Fe2+与Fe3+的Fe3O4作为氧化还原中心进一步提高了光生载流子的分离效率,同时在Fe2+/Fe3+循环反应进行的过程中产生大量的羟基自由基活性基团(·OH),进一步提升了催化剂的光催化效果。在Ag@AgBr-Ag2Mo3O10体系中,我们采用原位生长法将AgBr覆盖于Ag2Mo3O10表面,这一设计不仅将Ag2Mo3O10内核保护在AgBr壳内,使其受光腐蚀作用的影响降低,更构建了 AgBr-Ag2Mo3O10异质结,提升光生载流子的分离效率。单质银在Ag@AgBr-Ag2Mo3O10中产生表面等离子体效应(SPR),使AgBr-Ag2Mo3O10异质结导带上的电子被单质银导走,并直接与催化剂表面的吸附氧反应产生超氧负离子(·O2-)。这些改性手段极大的提升了钼酸银系列光催化剂的光催化效果。(Ⅳ)在先前研究的基础上,以离子浸渍法设计合成了一系列镧系氧化物负载的 Ln2O3-Bi2MoO6(Ln=Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Er,Yb 和 Lu)可见光催化剂。光催化实验发现:相较于纯Bi2MoO6,单一价态的镧系氧化物改性的催化剂和具有全空及全满4f价电子结构的Ce2O3和Yb2O3负载的催化剂仅略微提升了光催化效果;具有半满4f价电子结构的Tb2O3和Eu2O3负载的催化剂进一步提升了光催化效果;而具有不稳定4f电子结构的Pr2O3和Sm2O3负载样品则表现出出色的可见光催化活性。捕获实验表明,Pr2O3和Sm2O3负载样品催化活性大幅提升是由于这些催化剂体系中产生了大量的·OH活性基团。本研究不仅系统探究了不同镧系氧化物负载Bi2MoO6催化剂活性基团产生的规律,而且合理推断出在这一体系中各活性基团产生的机理,这部分研究为选择与构建新型可见光催化体系提供了坚实的理论依据。