新型铋、锌系可见光催化剂的制备及降解有机废水性能研究

摘要

光催化氧化技术是一种去除水体中难降解有机污染物的有效手段，具有极大的开发与应用前景。当今，光催化氧化技术仍存在量子效率低，可见光利用效率差等缺陷，严重制约着该技术的工业化应用和发展。因此，研究开发性能优异的可见光催化剂，是国内外水处理领域的重要前沿课题。
　　基于锌、铋系半导体材料具有良好的可见光催化活性，还原氧化石墨烯(RGO)具有优异的吸附性能和高透光性。本研究采用水热法、化学水解法，并通过优化煅烧温度、表面活性剂含量及RGO负载修饰手段制备具有高效可见光催化活性的新型锌、铋系光催化剂BiVO4、 BiOF/Bi2 O3/RGO和ZnO;利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、N2吸附、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、紫外可见漫反射光谱(UV-vis DR)、光致发光光谱(PL)、循环伏安法(CV)等手段对其光催化剂的结晶、形态、吸附性能、能带结构、化学结构、光化学性质和电子转移特性进行表征;通过对目标污染物罗丹明B(RhB)、橙黄-Ⅳ(OG-Ⅳ)或甲硝唑(MNZ)模拟废水在可见光或自然太阳光照射下的降解率，评价新型光催化剂的光催化活性，从而为新型锌、铋系可见光催化剂的制备和在难降解有机废水处理中的应用提供理论依据。主要研究结论如下:
　　(1)水热法制备棒状BiVO4光催化剂及其自然太阳光催化性能研究:以Bi(NO3)3·5H2O和NH4VO3为原料，采用水热法制备出新型BiVO4光催化剂。实验结果表明:煅烧温度对BiVO4光催化剂的性质及光催化活性均有重要影响，300℃煅烧条件下制备得到的催化剂（BiV-3)活性最优;通过表征发现，BiV-3具有均一的棒状结构，属于单斜白钨矿型，可见光吸收限达到540 nm，禁带宽度为2.44 eV，比表面积为3.4652n2/g;在自然太阳光下，以RhB和OG-Ⅳ作为模拟废水进行光催化化活性研究，结果显示:在进水浓度分别为10 mg/L和7.5 mg/L，催化剂投加量分别为1.0 g/L和0.5 g/L条件下，两者的降解率分别达到99％和75％;与未煅烧的相比，RhB和OG-Ⅳ的降解率分别提升了45％和49％;且BiV-3对RhB和OG-Ⅳ的降解规律均符合一级动力学模型，其相应的反应速率常数分别为0.852 h-1和0.142 h1; BiV-3具有良好的循环性和稳定性。
　　(2)水解法制备BiOF/Bi2O3/RGO光催化剂及其自然太阳光催化性能研究:以Bi(NO3)3·5H2O和NaF为原料，采用水解法制备出了BiOF/Bi2O3纳米光催化剂，通过水浴还原法将BiOF/Bi2O3用RGO负载修饰，制备出性能优异的BiOF/Bi2O3/RGO复合光催化剂。研究结果表明:煅烧温度对BiOF/Bi2O3光催化剂具有显著影响，在300℃煅烧温度下，得到的光催化剂(BF-3)活性最高;石墨烯负载量对复合光催化剂的活性具有重要影响，当负载量为1wt％时，样品(BG-1)的光催化活性最高;在自然太阳光下，以RhB为模拟废水进行光催化活性测试，结果显示:在迸水浓度为15mg/L，复合光催化剂BG-1的投加量为0.5 g/L条件下，RhB降解率高达99％;与未负载BF-3光催化剂相比，BG-1样品的催化活性提高了48％;并且发现该催化剂具有良好的稳定性和循环性。
　　(3)水热法制备ZnO光催化剂中不同表面活性剂含量对光催化活性的影响:以Zn(CH3COO)2·2H2O和NaWO4·2H2O为原料，采用水热法制备出ZnO光催化剂，并通过十二烷基苯磺酸钠(SDBS)表面活性剂对ZnO光催化剂进行修饰。研究结果显示:当SDBS添加量为0.75 g时，制备的光催化剂(ZO-0.75)活性最优;经过表征发现SDBS的存在，改变了催化剂的形态、禁带宽度等性质，修饰后的ZO-0.75为纳米棒状结构，禁带宽度为3.17eV;通过羟基自由基捕获实验验证出该催化剂的主要活性成分为·OH;在模拟可见光下，ZO-0.75光催化剂对甲硝唑的降解率达72％，比未修饰的ZnO活性高出56％。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 半导体光催化技术概述

1．2．1 光催化技术的定义

1．2．2 光催化技术的基本原理

1．2．3 光催化技术的主要影响因素

1．3 光催化剂的修饰方法

1．3．1 金属离子掺杂

1．3．2 非金属离子掺杂

1．3．3 表面活性剂修饰

1．3．4 异质结

1．3．5 染料光敏化

1．3．6 与π-共轭结构复合

1．4 光催化剂的制备方法

1．4．1 液相沉淀法

1．4．2 水热合成法

1．4．3 溶剂热法

1．4．4 水解法

1．5 光催化技术在难降解有机废水处理中的应用

1．5．1 农药

1．5．2 染料废水

1．5．3 药品及个人护理品

1．6 本课题的研究目的和意义

第二章 实验内容与研究方法

2．1 实验内容

2．2 研究方法

2．2．1 实验仪器与试剂

2．2．2 催化剂的表征方法

2．2．3 光催化反应光源的选择

2．2．4 光催化活性的评价方法

2．2．5 废水水质

第三章 水热法制备棒状BiVO4光催化剂及其自然太阳光催化性能研究

3．1 引言

3．2 BiVO4光催化剂的制备

3．3 表征手段

3．4 BiVO4光催化活性实验设计研究

3．5 结果与讨论

3．5．1 煅烧温度对BiVO4光催化剂的影响

3．5．2 BiVO4光催化剂的特性研究

3．5．3 BiV-3光催化活性以及循环实验的研究

3．6 本章小结

第四章 水解法制备BiOF／Bi2O3／RGO光催化剂及其自然太阳光催化性能研究

4．1 引言

4．2 BiOF／Bi2O3／RGO光催化剂的制备与表征手段

4．2．1 BiOF／Bi2O3／RGO光催化剂的制备

4．2．2 BiOF／Bi2O3／RGO光催化剂的表征手段

4．2．3 BiOF／Bi2O3／RGO光催化剂自然光活性的评估

4．2．4 BiOF／Bi2O3／RGO光催化剂模拟可见光活性的评估

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 煅烧温度对BiOF／Bi2O3光催化剂活性的影响

4．3．2 BiOF／Bi2O3／RGO光催化剂的特性研究

4．3．3 BiOF／Bi2O3／RGO光催化剂的光催化活性及循环实验探究

4．4 本章小结

第五章 水热法制备ZnO光催化剂中不同表面活性剂含量对光催化活性的影响

5．1 前言

5．2 实验部分

5．2．1 ZnO光催化剂的制备

5．2．2 ZnO光催化剂的表征手段

5．2．3 ZnO光催化活性测试

5．2．4 ZnO光催化剂的电化学测试

5．2．5 ZnO光催化剂产生·OH的捕获实验研究

5．3 结果与讨论

5．3．1 SDBS含量对ZnO光催化剂合成的影响的研究

5．3．2 棒状ZnO光催化剂的形成

5．3．3 ZnO光催化剂的性能研究

5．3．4 ZO-0．75与ZO(UW)-0．75的光催化活性的对比研究

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 主要创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的科研成果

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