银和还原氧化石墨烯改性钒酸铋光催化材料研制及其光催化性能的研究

摘要

工业的极速发展导致水污染更加普遍，而光催化材料能利用太阳能解决水环境污染相关问题，这已经成为环境学科领域研究的热点和难点。钒酸铋（BiVO4）兼有隙窄和高可见光催化活性优点而受到科研和工业界喜爱。然而，纯相 BiVO4的光生电子-空穴对分离较困难，而且电子和空穴对的复合会导致BiVO4的量子效率很低，从而使BiVO4光催化降解污染物的能力下降。
　　该论文首先全面深入的研究了对BiVO4改性是可行的，然后采用银纳米粒子和还原氧化石墨烯为改性剂，因为还原氧化石墨烯(简写为rGO)和石墨烯具有相似的特性，它们都有导电性高，载流子迁移率高，比表面积大的优点；而Ag纳米粒子的局域表面等离子体共振现象可增强催化剂对可见光的吸收；从而制备出了BiVO4负载Ag纳米粒子和还原氧化石墨烯的新型光催化剂。这种新型的复合型光催化剂能提高光催化剂的量子效率，从而提高BiVO4降解污染物的效率。论文以单斜相BiVO4为对象，研制了BiVO4-Ag（简写为Bi-Ag）和BiVO4-Ag-氧化还原石墨烯（简写为AgGB）光催化复合材料，并表征探讨了其理化性质和污染物降解效率。该研究的主要内容和结论列举如下：
　　①采用一步水热法制备出复合材料Bi-Ag和AgGB光催化复合材料。对制备出的这两种复合材料进行一系列的表征，其中包括常见的X-射线衍射、扫描电子显微镜、能谱分析、拉曼光谱、X光电子能谱以及紫外-可见漫反射等，结果表明：石墨烯中的部分含氧基团被氧化还原形成了还原氧化石墨烯。Ag纳米颗粒与BiVO4晶体一起形成粒径为4-7μm的微球，然后分散在还原氧化石墨烯片层上。制备出的纯的BiVO4样品禁带宽度由光催化剂禁带宽度的公式计算得来，最后求得制备的光催化剂的禁带宽度为2.42eV，与理论值2.4eV具有较高一致性。经改性后的BiVO4对可见光具有更强吸收能力，尤其在可见光区域。实验结果表明，BiVO4经rGO和Ag纳米颗粒改性后具有更大的光相应范围，从而可以提高对可见光的吸收。其次该论文还利用电子顺磁共振表征的方法分析AgGB复合材料的中的羟基自由基和超氧自由基的产生情况，实验结果显示，在黑暗条件下，几乎不产生羟基自由基和超氧自由基。在开灯反应过程中，复合材料产生的羟基自由基和超氧自由基随着时间的增长而增加。
　　②在探究复合材料AgGB在降解污染物过程中电子和空穴所起的作用时，我们在光催化降解罗丹明B时分别加入了硝酸银作为电子捕获剂和酒石酸钠钾作为空穴捕获剂，加入的量均为0.1mmol。实验结果显示，当加入硝酸银时，整个反应体系的降解速率有所提高，而在加入了酒石酸钠钾的体系中罗丹明B的降解效果有所下降。这说明在罗丹明B的降解过程中，空穴起了主要的作用。
　　③在复合材料光催化降解罗丹明B时，分别加入0.1mmol羟基捕获剂对苯醌和超氧自由基捕获剂异丙醇（0.1mol/L）进一步探讨了羟基和超氧自由基对光催化反应过程的影响。研究发现，超氧自由基在罗丹明B污染物的水溶液降解中起着至关重要的作用。

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 光催化技术概述和问题

1.3 钒酸铋光催化材料概述及研究现状

1.4 银和石墨烯对光催化剂改性的研究进展

1.5 课题的提出及主要研究内容

2 实验材料及方法

2.1 实验试剂与仪器

2.2 催化剂的制备

2.3 催化剂的表征

2.4 催化剂的催化活性检测

3 Ag负载BiVO4材料的表征

3.1 二元复合材料的表征

3.2 本章小结

4 Ag和还原氧化石墨烯负载BiVO4材料的表征

4.1 复合材料的表征

4.2 本章小结

5 复合材料光催化活性的研究

5.1 复合材料光催化性能测试

5.2 复合材料光催化降解的机理研究

5.3 催化反应的动力学研究

5.4 本章小结

6 结论和建议

6.1 结论

6.2 建议

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B. 作者在攻读硕士学位期间主研和参与的科研成果