基于氧化钨纳米片多级复合纳米结构的制备与光催化性能研究

摘要

半导体多级复合材料具有空间位阻效应,表面积大,可为光催化反应提供大量的反应活性点。此外,由于不同半导体之间导带和价带的能级不同,光生载流子可以从较高能级转移到较低能级,从而有效的分离电子空穴。半导体多级复合材料已成为当今纳米光催化材料的研究热点。本文主要以二维WO3纳米片为基体,在WO3纳米片上生长TiO2、CdS、Ag/AgCl纳米晶,构筑了WO3纳米片基半导体多级复合光催化剂,并对其光催化性能进行了研究。
　　 以市售商用钨酸(H2WO4)为钨源,通过插层反应制得钨基无机.有机混杂纳米带;再经浓硝酸溶液选择性氧化去除有机物,最后将所得产物煅烧后得到单晶WO3纳米片。所得二维WO3纳米片大小为(100～250)×(250～350)nm,厚度约为10～30 nm,在空间堆积可形成“纸牌屋(House of Cards)”结构,结构蓬松、基本无团聚,表面积大,具有空间位阻效应,可为光催化反应提供大量的反应活性点,是构筑半导体多级复合光催化剂的良好基体。
　　 以钛酸丁酯为钛源,通过静电纺丝制备了WO3纳米片掺杂TiO2纤维,所得TiO2纤维直径在1～2μm,WO3纳米片被均匀的包裹在TiO2纤维中。随着WO3纳米片掺杂量的增多,TiO2纤维的晶型逐渐由金红石型转变为锐钛矿型,同时变得越容易断裂,并且所制备的WO3纳米片掺杂TiO2纤维的吸附性能越来越强。WO3纳米片掺杂TiO2纤维的可见光催化性能较差,这可能是由于WO3纳米片被TiO2纤维完全包覆的原因。
　　 采用湿化学方法制备了CdS/WO3纳米片多级复合光催化材料,所得六方相CdS颗粒大小在20 nm左右,均匀分布在WO3纳米片表面。当CdS:WO3=1:5时,CdS/WO3催化剂具有最优光催化性能,2 mg/L的催化剂可在336 min完全降解10 mg/L的罗丹明B溶液(RhB)。CdS和WO3纳米片复合后,在增加可见光吸收的同时,可以有效分离光生电子和空穴,从而提高可见光催化效率。
　　 采用水热法制备了TiO2/WO3纳米片多级复合光催化剂,所得TiO2颗粒为金红石相,颗粒大小为10 nm左右,均匀分散在WO3纳米片表面。当WO3纳米片含量为21.2％(摩尔百分数)、水热温度为150℃、水热时间为24 h时,所获得的TiO2/WO3样品具有最佳的可见光催化性能,1.6g/L的催化剂可在80 min内完全降解10 mg/L的RhB溶液。TiO2和WO3纳米片相复合可以有效分离光生电子和空穴,提高光催化效率,通过多次使用后依然可以保持良好的催化性能。
　　 先将Ag+吸附到WO3纳米片表面,然后通过Cl-将Ag+沉淀得到AgCl/WO3纳米片,再通过光化学还原反应,制备了Ag/AgCl@WO3纳米片光催化剂。当Wo3纳米片的含量为46%(摩尔百分比)、光还原时间为5分钟时,所制备Ag/AgCl@WO3纳米片催化剂性能最好,1g/L的催化剂可在5 min内完全降解10 mg/L RhB溶液。Ag/AgCl@WO3纳米片多级复合光催化剂将表面等离子体共振和能带协同作用相结合,在通过表面等离子体共振增强对可见光吸收的同时,可以通过AgCl和WO3之间的能带协同作用来分离光生电子空穴,提高可见光催化性能。