BiPO4的制备、复合改性及光催化性能研究

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光催化技术具有反应条件温和、能耗低、能矿化污水中绝大多数有机物等突出优点,在难降解有机物处理中具有其他传统水处理工艺所无法比拟的优势,是一种极具发展前途的水处理技术。BiPO4是一种新型的非金属含氧酸盐光催化剂,由于光催化活性高和成本低开始引起人们的关注。但由于其带隙较宽,对太阳能的利用率还不够理想。BiVO4和Ag3PO4由于很好的可见光催化活性,近年来被广泛研究,但由于较高的成本,大规模工业生产受到限制。本文在对BiPO4进行优化制备的基础上,采用水热法制备了BiPO4/BiVO4和BiPO4/Ag3PO4两种复合光催化剂,分别采用粉晶X射线衍射、扫描电子显微镜及相应的能谱、X射线光电子能谱及紫外可见漫反射吸收谱对合成的样品进行了表征。并以亚甲基蓝为受试污染物,评价了BiPO4的紫外光催化活性及BiPO4/BiVO4和BiPO4/Ag3PO4复合体的可见光催化活性。取得的主要研究结果如下:(1)对BiPO4进行了优化制备,得到的样品是大量棒状结构(长约4±2μm,宽约为1μm)与少量片状结构(约510μm)同时存在的单斜相独居石结构BiPO4,样品中只含有Bi、P与O元素,其禁带宽度为3.85eV。紫外光催化实验结果表明,水热合成pH值对样品的光催化性能影响较大,优化的制备条件为:水热合成pH值为2.25、温度为180℃、时间为72h。此条件下制备的样品在紫外光光催化反应60min后对MB的降解率为68.3%。虽其降解能力不及商业TiO2(85.5%),但由于BiPO4的制备成本相对较低,故具备进一步研究价值。(2)制得的BiPO4/BiVO4复合光催化剂同时含有单斜相独居石结构BiPO4和单斜相BiVO4,样品中大颗粒的BiVO4(大小约525μm的棒状结构)与小颗粒的BiPO4共同存在,表面主要由Bi、P、V、O元素构成,吸收边界值明显向可见光区移动。可见光催化降解实验结果表明,水热合成pH值与反应物的P/V摩尔比对复合体的光催化性能产生影响,优化的制备条件为:水热pH值1.5、P/V摩尔比5:1。此条件下制备的样品进行可见光光催化反应4h后对MB的降解率达到96.1%,明显优于纯相BiVO4(87.1%)的光催化降解能力,其表观速率常数大约为纯相BiVO4的1.7倍。(3)制得的BiPO4/Ag3PO4复合光催化剂同时含有六方相BiPO4与单斜相独居石结构BiPO4和立方相Ag3PO4,形貌与尺寸随着反应物中Bi/Ag摩尔比降低趋向Ag3PO4的形貌与尺寸,表面主要由Bi、Ag、P、O元素构成,吸收边界值明显向可见光区域移动。可见光催化降解实验结果表明,水热合成pH值及反应物的Bi/Ag摩尔比对复合体的光催化性能有影响,优化的制备条件为:水热pH值7.0、Bi/Ag摩尔比为4:3。此条件下制备的样品在光催化反应120min后对MB的降解率达到99.2%,优于Ag3PO4(98.5%)与P25(94.0%)的光催化效果,其表观速率常数与纯相Ag3PO4、P25相比具有显著提高。
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