镓基与锑基氧化物/复合氧化物的合成及光催化降解盐酸四环素性能研究

摘要

有效治理环境污染引起世界各国的广泛关注,半导体光催化技术因反应条件温和,无二次污染以及利用天然的太阳光驱动反应在降解环境污染物方面都发挥着重要作用。然而,传统的Ti02基光催化剂存在量子效率低和降解难降解有机污染物易失活的弊端,严重制约了光催化技术的大规模应用。因此,开发新型高效光催化剂成为目前光催化领域的研究热点,其中P区金属氧化物和复合氧化物常作为一类新型光催化剂被广泛研究。本论文开展了 P区金属镓基及锑基氧化物和复合氧化物(Ga203、Sb203、ZnGa2O4、ZnSb206和ZnGa204)的制备及其紫外光光催化降解盐酸四环素性能的研究,并对其光催化性能差异的原因进行了探讨。运用X射线粉末衍射、扫描电镜、紫外—可见漫反射光谱、傅立叶红外光谱、电化学和N2吸附等测试手段对催化剂的组成、结构、比表面积、光响应、生成的活性物种和能带结构等进行了详细的表征,得到的主要结论如下:(1)采用水热法、溶胶凝胶法、沉淀法来合成Ga203样品,不同合成方法制得的Ga203样品光催化性能存在很大的差异,沉淀法所得Ga203样品在紫外光下降解盐酸四环素的效果最好,利用沉淀法合成了 Sb203光催化剂,其具有紫外光下降解盐酸四环素的性能,但活性远远低于同种方法制得的Ga203。(2)在排除合成方法影响的条件下,催化剂的能带结构、晶体结构以及表面的羟基是影响Ga203与Sb203样品光催化降解盐酸四环素的性能差异的主要原因,而比表面积、结晶度以及晶体内部缺陷与二者光催化性能差异没有直接的关系。Ga203对盐酸四环素光催化降解是通过活性物种空穴、O2-·以及·OH共同实现的,其中O2-·是主要活性物种;Sb203对盐酸四环素光催化降解是通过活性物种空穴和·OH共同实现的。(3)采用水热法、共沉淀法合成了 ZnGa204样品,合成方法的不同对样品的光催化活性影响很大,水热法所制得ZnGa204样品紫外光下降解盐酸四环素效果更好。选择水热法合成ZnSb2O6与ZnGa204光催化剂,它们在紫外光下降解盐酸四环素的性能相近,但远低于ZnGa204的催化活性。(4)排除合成方法的影响后,对三种光催化剂活性差异原因进行探究,ZnGa204优异的光催化性能应该归功于其能带结构以及较多的晶体内部缺陷,而ZnSb206和ZnSb204光催化性能相近由于二者能带结构、晶体结构、表面状态、晶体内部缺陷、比表面积以及孔径分布共同作用的结果。ZnGa2O4、ZnSb2O6和ZnGa204对盐酸四环素的光催化降解是通过不同途径实现的,O2-·是ZnGa2O4光催化降解盐酸四环素的主要活性物种,ZnSb2O6和ZnGa204对盐酸四环素光催化降解是通过活性物种空穴、O2-·以及·OH共同实现的,对于ZnGa204,O2-·为光催化降解过程中主要活性物种,对于ZnSb2O6,·OH为光催化降解过程中主要活性物种。

目录

Abstract

中文文摘

绪论

0.1 半导体光催化技术概述

0.1.1 光催化背景及意义

0.1.2 光催化反应原理

0.1.3 常见光催化剂的类型

0.1.4 光催化剂活性的影响因素

0.2 提高光催化剂活性的途径

0.2.1 构建异质结构

0.2.2 沉积贵金属

0.2.3 离子掺杂

0.2.4 表面复合

0.2.5 构筑特殊形貌

0.3 新型光催化剂

0.3.1 氧化物和复合氧化物型光催化剂

0.3.2 金属有机骨架光催化材料

0.3.3 氮化碳类光催化材料

0.3.4 表面等离子体光催化剂

0.4 光催化材料的制备方法

0.4.1 水热(溶剂热)法

0.4.2 微波水热法

0.4.3 共沉淀法

0.4.4 高温固相合成法

0.4.5 溶胶-凝胶法

0.5 选题依据与创新之处

0.5.1 选题依据

0.5.2 本课题的创新点

第一章 Ga

O

与Sb

O

的合成及其光催化性能差异比较

1.1 前言

1.2 实验部分

1.2.1 实验药品

1.2.2 主要仪器及设备

1.2.3 催化剂的制备

1.2.4 催化剂的表征

1.2.5 光催化活性评价

1.3 结果与讨论

1.3.1 Ga2O

与Sb

O

光催化剂的合成及其光催化性能

的合成及光其催化性能

O

的合成及其光催化性能

与Sb

O

光催化性能比较

1.3.2 催化剂的表征

1.3.3 样品的晶体结构

1.3.4 光催化活性差异初探

1.4 本章小结

第二章 ZnGa2O

、ZnSb

O

、ZnSb

O

的合成及其光催化性能差异比较

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1 实验药品

2.2.2 主要仪器及设备

2.2.3 催化剂的制备

光催化剂的制备

O

光催化剂的制备

O

光催化剂的制备

2.2.4 催化剂的表征

2.2.5 光催化活性评价

2.3 结果与讨论

2.3.1 光催化剂的合成及其光催化性能

的合成及其光催化性能

O

的合成及其光催化性能

O

的合成及其光催化性能

、ZnSb

O

、ZnSb

O

光催化性能比较

2.3.2 催化剂的表征

2.3.3 样品的晶体结构

2.3.4 光催化活性差异初探

2.4 本章小结

第三章 结论与展望

参考文献

攻读学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢

个人简历