BiOBr和C3N4的制备、表征及可见光催化氧化罗丹明B性能研究

摘要

二维纳米结构BiOBr和g-C3N4具有合适的禁带宽度、特殊的电子结构、优异的化学性质、环境友好和成本低廉等优点，在光催化氧化染料废水领域引起了国内外的广泛关注。目前，BiOBr和g-C3N4纳米片存在制备方法、量子产率、光能利用、光催化氧化、循环使用等理论和实践方面的缺陷，还不能满足光催化氧化染料废水的实际应用。因此，论文采用常温简易方法设计和制备具有二维纳米结构的BiOBr纳米片，并构建BiOBr-石墨烯和BiOBr-氧化石墨烯纳米复合物增强其可见光催化氧化有机染料罗丹明B（RhB）的活性；通过对不同前躯体及其制备的g-C3N4纳米片进行系统研究，为可见光催化氧化有机染料RhB选择合适的前躯体提供理论支撑，并通过常温高效捕集大气中 CO2构建 g-C3N4/(BiO)2CO3二维纳米异质结增强其可见光催化氧化有机染料RhB的活性。最后，采用简易方法构建了具有特殊形貌的 g-C3N4/BiOBr二维纳米异质结增强其可见光催化氧化有机染料RhB的活性。结合多种现代分析测试技术对制备的光催化剂进行物理化学性能的研究，并考察其对有机染料RhB可见光催化氧化的机理。论文研究结果为高效利用可见光催化氧化技术降解染料废水提供了基础研究数据和理论支撑。主要研究内容如下：
　　① BiOX（X=Cl、Br、I）纳米片的常温制备、表征及可见光催化氧化RhB性能研究
　　以 Bi(NO3)3?5H2O和KX（X=Cl、Br、I）作为原料，通过常温一步法分别合成了BiOCl、BiOBr和BiOI纳米片光催化剂。首先，结合 XRD、SEM、TEM、UV-vis DRS、TG-DSC和BET比表面积测定等现代分析测试技术，对BiOCl、BiOBr和BiOI纳米片的晶体结构、形貌特征、光学性能、热稳定性及比表面积进行了全面的表征和分析，并对其常温生长机理进行了合理的解释。其次，在可见光（λ>420 nm）辐照下光催化降解RhB来分别评价光催化剂的光催化氧化活性，结合能带结构模型、微形貌特征和光学特性，对BiOCl、BiOBr和BiOI之间光催化氧化活性的差异进行了合理的解释。最后，通过四次循环可见光催化降解RhB的试验，评价了BiOCl和BiOBr的可见光催化氧化稳定性。
　　② BiOBr-石墨烯和BiOBr-氧化石墨烯纳米复合物的常温制备、表征及可见光催化氧化RhB性能研究
　　以 Bi(NO3)3?5H2O和KBr作为原料，分别以石墨烯和氧化石墨烯作为构建二维复合物的模板。在常温一步法合成 BiOBr纳米片的基础上，采用原位自组装技术分别构建 BiOBr-石墨烯和BiOBr-氧化石墨烯二维纳米复合物新型可见光催化剂。BiOBr纳米片分别与石墨烯和氧化石墨烯的界面紧密结合形成二维纳米复合物，有助于增强BiOBr的可见光催化氧化活性。首先，结合XRD、Raman、TEM、UV-vis DRS和BET-BJH等现代分析测试技术，对BiOBr-石墨烯和BiOBr-氧化石墨烯的晶相组成、形貌结构、化学组成、光学特性、比表面积和孔容进行了全面的表征和分析，对其常温下的自组装机理进行了合理的解释。其次，在可见光（λ>420 nm）辐照下光催化降解RhB来评价光催化剂的光催化氧化活性，结合分析表征结果，对增强BiOBr-石墨烯和BiOBr-氧化石墨烯可见光催化氧化RhB的原因进行了合理的解释。最后，通过四次循环可见光催化降解RhB的试验，评价了BiOBr-石墨烯和BiOBr-氧化石墨烯的可见光催化氧化稳定性。
　　③前躯体对g-C3N4光催化剂的多重性影响及可见光催化氧化RhB性能研究
　　通过高温一步缩聚法合成了具有特殊二维层状结构的 g-C3N4光催化剂即CN-T（前驱体为硫脲）、CN-D（前驱体为二氰二胺）、CN-M（前驱体为三聚氰胺）和CN-U（前驱体为尿素）。首先，结合XRD、FT-IR、TEM、UV-vis DRS、TG-DSC和BET-BJH等现代分析测试技术，对CN-T、CN-D、CN-M和CN-U的晶体结构、化学组成、形貌特征、光学性能、热稳定性、比表面积和孔结构进行了全面的表征和分析，对CN-T、CN-D、CN-M和CN-U的缩聚机理及差异进行了合理的解释。其次，在可见光（λ>420 nm）辐照下光催化降解RhB来评价光催化剂的光催化氧化活性，结合光学特性、化学组成和形貌特征，对CN-T、CN-D、CN-M和CN-U光催化氧化RhB的活性差异进行了合理的解释。最后，通过四次循环可见光催化降解RhB的试验，评价了CN-T、CN-D、CN-M和CN-U的可见光催化氧化稳定性。
　　④ g-C3N4/(BiO)2CO3二维纳米异质结的常温原位构建、表征及光催化氧化RhB性能研究
　　以硫脲作为合成 g-C3N4纳米片的前躯体，以 Bi(NO3)3?5H2O作为合成(BiO)2CO3纳米薄片的原料。以g-C3N4纳米片作为构建二维纳米复合物的模板，采用常温高效捕集大气中 CO2原位自组装构建新型 g-C3N4/(BiO)2CO3二维纳米异质结可见光催化剂。通过g-C3N4和(BiO)2CO3合适的能带组合和有效的晶面复合成功的构建了二维纳米异质结，有利于增强g-C3N4和(BiO)2CO3的可见光催化氧化RhB的活性。首先，结合XRD、FT-IR、XPS、TEM、UV-vis DRS、PL、BET-BJH等现代分析测试技术对光催化剂的晶相组成、化学成分、结合键能、形貌结构、光学特性、比表面积和孔结构进行了全面的表征和分析，对常温下高效捕集 CO2构建二维纳米异质结的形成机理进行了合理的解释。其次，在可见光（λ>420 nm）辐照下光催化降解RhB来评价g-C3N4/(BiO)2CO3的光催化氧化活性。结合ESR分析表征结果，对增强g-C3N4/(BiO)2CO3的可见光催化氧化RhB机理进行了合理的解释。最后，通过四次循环可见光催化降解RhB的试验，评价了g-C3N4/(BiO)2CO3的可见光催化氧化稳定性。
　　⑤ g-C3N4/BiOBr二维纳米异质结的常温原位构建、表征及光催化氧化 RhB性能研究
　　以三聚氰胺作为合成 g-C3N4纳米片的前躯体，以 Bi(NO3)3?5H2O作为合成BiOBr纳米片的原料。以 g-C3N4纳米片作为构建二维纳米复合物的模板，采用常温原位自组装技术构建新型 g-C3N4/BiOBr二维纳米异质结可见光催化剂。通过g-C3N4和BiOBr纳米片有效的晶面复合和合适的能带组合成功的构建了二维纳米异质结，有助于增强g-C3N4和BiOBr的可见光催化氧化活性。首先，结合XRD、FT-IR、TEM、UV-vis DRS、PL、BET-BJH等现代分析测试技术对光催化剂的晶相组成、化学成分、形貌结构、光学特性、暴露晶面、能带匹配和比表面积进行了全面的表征和分析，并对其常温原位自组装机理进行了合理的解释。其次，在可见光（λ>420 nm）辐照下光催化降解RhB来评价g-C3N4/BiOBr的光催化氧化活性，并对g-C3N4/BiOBr增强可见光催化氧化RhB机理进行了合理的解释。最后，通过四次循环可见光催化降解RhB的试验，评价了g-C3N4/BiOBr的可见光催化氧化稳定性。

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1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 光催化剂活性的影响因素

1.3 BiOX（X=Cl、Br、I）和C3N4光催化材料的研究进展

1.4 课题来源

1.5 研究内容、任务和技术路线

2 实验材料及分析测试方法

2.1 试剂与仪器

2.2 催化材料测试方法

2.3 可见光催化氧化RhB性能评价

3 BiOX（X=Cl、Br、I）纳米片的常温制备、表征及可见光

3.1 引言

3.2 试验部分

3.3 结果与讨论

3.4 小结

4 BiOBr-石墨烯和BiOBr-氧化石墨烯复合物的常温制备、

4.1 引言

4.2 试验部分

4.3 结果与讨论

4.4 小结

5 前躯体对g-C3N4光催化剂的多重性影响及可见光催化氧化RhB性能研究

5.1 引言

5.2 试验部分

5.3 结果与讨论

5.4 小结

6 g-C3N4/(BiO)2CO3二维纳米异质结的常温原位构建、表

6.1 引言

6.2 试验部分

6.3 结果与讨论

6.4 小结

7 g-C3N4/BiOBr二维纳米异质结的常温原位构建、表征及

7.1 引言

7.2 试验部分

7.3 结果与讨论

7.4 小结

8 结论与展望

8.1 研究结论

8.2 研究展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻博期间发表的学术论文

B. 作者在攻博期间获得的奖项

C. 作者在攻博期间承担的科研项目