铋基光催化剂Bi4MO8X(M=V,Nb,Ta;X=Cl,I)的制备及其对有机污染物的光催化降解

摘要

光催化氧化技术作为高级氧化技术的一种，由于其具有环境友好，能有效去除环境中尤其是废水中的污染物而且耗能较少，无二次污染等优点受到众多研究者的青睐。在过去的十多年里，光催化领域把研究重点主要放在高效的光催化剂的研制上。许多光催化材料能在紫外光条件下降解各种各样的有机化合物。然而，由于光生电子空穴对的快速复合，使得光催化材料失去反应活性，阻碍了这项技术的商业化应用。因此，提高光催化材料的光催化活性成为研究的热点和重点。此外，从环境保护与节省能源的角度来考虑，扩展光催化剂的响应光谱范围，提高可见光区的光催化活性，发展可见光响应的光催化材料，充分利用太阳光做能源也成为该领域具有挑战性的课题。
　　本文中，我们采用固相方法合成了一系列掺Nb的光催化材料Bi4NbxTa(1-x)O8I。通过X射线衍射(XRD)，扫描电子显微镜(SEM)，紫外可见漫反射(UV-Vis DRS)技术对材料的晶型、形貌以及光学吸收性能进行表征。其光催化能力的大小通过在可见光、紫外光和太阳光下对甲基橙的降解效率来体现。结果表明，在一系列掺杂比例中，Bi4Nb0.1Ta0.9O8I表现出最好的光催化活性。在可见光条件下，当甲基橙的初始浓度为10mg/L，Bi4Nb0.1Ta0.9O8I催化剂剂量为6g/L，甲基橙溶液初始pH为自然水pH时，经过12 h的反应，甲基橙的去除率为92％。同样条件下，在紫外光条件下照射40 min，甲基橙可以完全被降解。在太阳光条件下，经过7 h的反应，甲基橙的去除率为60％。为了进一步说明材料的光催化能力以及排除光敏化效应的影响，我们又考察了Bi4Nb0.1Ta0.9O8I对双酚A的降解。结果表明，经过16h的可见光照射，99％的双酚A被去除，这说明甲基橙的降解主要是靠材料的光催化作用。通过液相色谱与质谱联用技术，我们分析了甲基橙可能的降解产物，并推测其可能的结构。以上结果表明，该系列材料在利用太阳光降解偶氮染料方面具有潜在的应用价值。
　　另一系列的材料Bi4VO8C1通过水热方法，调节反应液的pH值来合成一系列材料。材料的物理化学性质通过X射线衍射(XRD)，扫描电子显微镜(SEM)，紫外可见漫反射(UV-Vis DRS)，X射线光电子能谱分析(XPS)，Zeta电位分析仪，BET氮吸比表面积分析仪来表征。在光催化性质的研究中，用可见光作光源，用合成的材料来降解6种常见的药物，有甲硝唑，阿昔洛韦，盐酸左氧氟沙星，磺胺，盐酸肾上腺素，利巴韦林。在这6种药物中，我们选择甲硝唑作为代表物质来详细评价催化剂的光催化降解药物的能力。在我们研究的体系中，最优条件时通过9h的可见光照射或者10min的紫外光照或者6h的实际太阳光照射，甲硝唑能被完全去除。同时，我们发现，催化剂的结晶度是影响其催化能力的主要因素。在pH3条件下制备的光催化剂具有最好的晶型，表现出了最好的催化活性。通过检测6种药物反应前后的TOC变化，结果表明，除了甲硝唑外，其他5种药物均被完全矿化。甲硝唑没有完全矿化而是生成了其他小分子物质。因此我们初步认为，在我们研究的光催化系统中，阿昔洛韦，盐酸左氧氟沙星，磺胺，盐酸肾上腺素，利巴韦林这五种药是易降解的，具有咪唑环的甲硝唑是不太容易降解的药物。通过液质联用技术，我们得到了甲硝唑降解过程的4种主要产物，推测了其可能的降解路径。研究结果表明，我们合成的新型可见光响应的光催化剂在药物的降解方面具有较好的应用价值。