常见无机离子对Ag3PO4可见光降解亚甲基蓝性能的影响

摘要

随着经济的快速发展，环境污染问题也日益加剧。纳米半导体光催化剂作为一种新兴的材料，可以利用太阳光处理环境污染物，为人类治理环境污染问题开辟了一条行之有效的途径。纳米二氧化钛（TiO2）具有高的催化活性、良好的稳定性、低毒、成本低廉等优点，是目前应用最为广泛、最有潜力的催化剂。但是TiO2禁带宽度比较大，仅吸收紫外光，太阳能利用率比较低，大大的限制了其在光催化消除污染物中的应用。2010年，日本叶金花课题组发现了具有高可见光催化性能的磷酸银（Ag3PO4）光催化剂，可吸收波长小于530 nm的太阳光，产氧方面在波长大于420 nm时量子效率高达90％。因此，Ag3PO4在处理有机污染物和水中产氧方面具有巨大的应用前景。
　　尽管Ag3PO4在可见光下降解污染物有较高的催化效率，但实际工业废水中经常会含有多种无机阴、阳离子，这些离子有可能对光催化降解产生一定的影响。因此，研究溶液中的无机离子对光催化反应的影响机理，可以为Ag3PO4在水净化方面的实际应用提供一定的现实依据。
　　本课题通过离子交换法制备可见光光催化剂Ag3PO4，并以Ag3PO4为催化剂，偶氮染料亚甲基蓝（MB）为模拟污染物，固定MB的初始浓度、催化剂用量和照射时间等条件，系统研究各种不同浓度的无机阴、阳离子对Ag3PO4吸附和光催化降解MB活性的影响。无机离子对Ag3PO4的光催化降解MB的影响通过一级动力学速率常数来评估。得出以下结论：
　　（1）通过离子交换法制备出光催化剂Ag3PO4，对其进行SEM、XRD、UV-vis DRS、XPS等一系列表征，并在可见光下以MB为模拟污染物进行光催化性能测试。结果表明，样品平均尺寸为1～5μm，可吸收波长小于530 nm的太阳光，结晶度和纯度都比较高。在测试条件下所制备的催化剂Ag3PO4对MB的降解率达95%，具有较高的可见光催化性能。
　　（2）在研究的无机阴离子NO3-、OH-、NO2-、Cl-、Br-、HCO3-、CO32-、SO42-、SO32-、S2-、PO43-中，NO3-和SO42-对Ag3PO4吸附MB没有影响；OH-（或者分别通过水解作用产生OH-的CO32-、HCO3-、SO32-和 PO43-）以及Cl-、Br-和S2-可以促进 Ag3PO4对MB 的吸附；而NO2-却在Ag3PO4的表面与MB发生竞争吸附，使得催化剂Ag3PO4对MB的吸附量逐渐减小。
　　（3）无机阴离子在溶液中的浓度对Ag3PO4光催化活性的影响很大。在0～2 mmol/L浓度范围内，NO3-对Ag3PO4光降解MB没有影响；SO42-对该反应产生稍微不利的影响；OH-、NO2-、CO32-和 S2-在整个浓度范围都会抑制光催化反应的进行；但是低浓度的HCO3-、Cl-、SO32-和PO43-在一定程度上提高了光反应速率，在高浓度下却在不同程度上抑制了光反应的进行；Br-却表现出与众不同的影响，低浓度下抑制Ag3PO4对MB的光降解，高浓度下光反应速率反而提高。同时我们也对这些抑制或者促进吸附和光降解的机理进行了理论的分析。
　　（4）除Na+和K+外，金属离子对该吸附和光催化反应都非常敏感。Mg2+和Ca2+会在一定程度上对该反应产生不利影响；Al3+在不同程度上对光催化反应造成不利影响；当离子浓度很低（0.1 mmol/L）时，Zn2+、Mn2+和Cu2+都会很大程度的抑制Ag3PO4对MB吸附和光催化反应的进行；而Fe3+在低浓度0.02～0.1 mmol/L时从一定程度上提高吸附和光反应速率，在高浓度下却抑制了吸附和催化反应速率。
　　（5）ICP-AES和TEM分析表明，Mg2+、Ca2+、Zn2+、Mn2+、Cu2+和Al3+对该反应的抑制作用主要是因为其磷酸盐溶度积常数很低；而Fe3+不仅与其磷酸盐低的溶度积常数有关，而且与Fe3+捕获光生电子的能力有关，适当厚度的FePO4可以在一定程度上促进Ag3PO4光降解MB。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 光催化技术

1.3 Ag3PO4光催化

1.4 影响光催化反应的因素

1.5 本课题研究的目的及内容

参考文献

2 Ag3PO4催化剂的制备、表征及光催化性能测试

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

参考文献

3 常见无机阴离子对Ag3PO4可见光降解MB性能的影响

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

参考文献

4 常见无机阳离子对Ag3PO4可见光降解MB性能的影响

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

参考文献

5 结束语

5.1 研究结论

5.2 需要进一步研究的内容

攻读学位期间发表的学术论文

致谢