α-SnWO4的微结构调控及光催化性能

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α相钨酸亚锡(α-SnWO4)的带隙较窄(间接带隙约为1.7 eV),对紫外-可见光有着较强的吸收能力,是一种潜在的太阳光驱动光催化剂材料。但α-SnWO4的光生电子和空穴容易复合,这将显著降低材料的光催化活性,限制了它在光催化领域的实际应用。本论文针对目前α-SnWO4存在的光生电子和空穴容易复合的问题,采用形貌调控、异质结构建和离子掺杂等技术手段,实现了材料微结构的调控和优化。以甲基橙(MO)、罗丹明B(RhB)和盐酸四环素(TC)作为目标污染物,研究了不同微结构调控下α-SnWO4的光催化性能。结果证明,三种微结构调控方法均达到了提高α-SnWO4光催化性能的目的。研究结果如下:(1)以乙二醇(EG)为溶剂,通过调节水含量,实现了α-SnWO4的形貌由纳米条带向纳米片的转变以及尺寸的调控。在溶剂热过程中,α-SnWO4的形核和生长速率是由EG和Sn2+络合形成的亚锡醇盐的缓释作用和溶剂的传质能力控制。光催化研究结果表明,水含量为10 vol%时制备的α-SnWO4(α-SW-10),在30 min时对MO的降解率可达到90.4%,表现出了良好的光催化活性。(2)将Ag纳米颗粒(Ag-NPs)修饰在α-SnWO4纳米片的表面,构建了Ag-NPs/α-SnWO4异质结。调节银氨溶液浓度实现了Ag-NPs在α-SnWO4纳米片上的良好分散。所有Ag-NPs/α-SnWO4异质结对MO的降解率均大于纯相α-SnWO4,加入Ag+/Sn2+的摩尔百分比为5%的异质结对MO的光催化性能最好,70 min时的降解率可达97.1%。分析认为,Ag-NPs产生的表面等离子体共振(SPR)效应增强了异质结材料对可见光的吸收能力;Ag-NPs和α-SnWO4纳米片之间形成的肖特基势垒促进了光生载流子的分离,从而促进了Ag-NPs/α-SnWO4异质结材料光催化性能的提升。(3)以α-SnWO4为模板,利用其前驱体带负电的特点,通过一步水热法将SnS量子点(QDs)原位锚定在α-SnWO4纳米片上,形成了接触紧密的直接Z型异质结。通过改变S2-/W6+的摩尔百分比控制SnS QDs的尺寸和分散性,得到了平均颗粒尺寸为2.2 nm且分散性好的SnS QDs。在MO、RhB和TC的光降解中,SnS QDs/α-SnWO4异质结材料的光催化性能均优于纯相α-SnWO4,制备时加入的S2-/W6+的摩尔百分比为2%的样品表现出了最好的光催化降解率,分别为95.6%(90 min)、97.6%(240 min)和57.0%(180 min)。SnS QDs和α-SnWO4形成的直接Z型异质结,不仅提高了载流子的分离能力,还加快了电荷的迁移,有效地解决了α-SnWO4中光生电子和空穴复合率高的问题。(4)将La3+掺杂进α-SnWO4的晶格中,形成了LaSn·和VSn’’等特定的缺陷能级,实现了α-SnWO4光催化性能的优化。La3+掺杂浓度为1 mol%的样品,对MO、RhB和TC的降解率分别为94.9%(20 min)、98.6%(300 min)和53.9%(180 min),光催化性能优良。光催化性能的改善和靠近导带底的缺陷LaSn·有关。通过LaSn·捕获光生电子并将电子传递给O2,使得光生电子和空穴有效分离。本论文通过溶剂效应、异质结构建和掺杂等技术手段,成功实现了对α-SnWO4光催化性能的显著改善,并从微结构层面上分析了相应的光催化效应增强机理。特别是通过降解医药类污染物(TC)的初步研究,表明α-SnWO4具有光降解医药类污染物的能力,且光催化降解能力有进一步提高的可能,这为未来实现α-SnWO4在医疗污染物的处理上的应用,奠定了坚实的基础。
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