新型铋基可见光光催化材料的改性及其可见光光催化降解活性深蓝K-R的性能研究

摘要

随着化学工业的发展,各种染料在多种行业中广泛应用。在染料的生产和使用过程中约有10％~15%的染料随废水排放,印染废水已成为当前最主要的水体污染之一。其中,偶氮染料约占每年染料生产量的60%~70%,但是其代谢过程中产生还原反应而形成的致癌的芳香胺化合物对环境造成极大威胁。而活性深蓝K-R作为活性偶淡染料的主要品种之一,研究对其的降解具有十分重要的意义。然而,染料即印染废水具有水量大、色度高、化学成分复杂、难生化降解等特点,用传统的处理方法很难彻底降解。近年来,光催化技术作为一种新型环境友好型处理技术在环境治污方面展示出广阔的应用前景,而发展高效可见光光催化剂更是吸引了国内外学者的广泛关注。其中,卤氧化铋光催化剂由于其自身合适的禁带宽度和特殊的层状结构显示出优异的光催化性能。特别是BiOI由于其吸收边落在可见光区,可以被可见光激发,因此开展对BiOI的改性研究有重要意义。本文对BiOI光催化剂的改性研究,主要从以下三个方面进行:一是通过复合形成固溶体BiOCl0.2Br0.1I0.7调节能带和增大比表面积来提高光催化性能;二是通过自掺杂改性合成BiOI1.5光催化剂,降低光生载流子复合效率和增强对可见光的吸收来提高光催化性能;三是用机械球磨法合成WO3/BiOI复合光催化材料,促进光生载流子分离来提高光催化性能。
　　(1)通过液相沉淀法成功合成了BiOI和BiOCl0.2Br0.1I0.7三元固溶体。结合表征结果可知,所合成的所有催化剂试样均为纳米层片状结构,BiOCl0.2Br0.1I0.7固溶体的比表面积远大于纯BiOI,可达到13.34m2/g;通过计算各催化剂试样的能带可知BiOCl0.2Br0.1I0.7价带电位为2.50eV,比纯BiOI的价带电位2.35eV更深,意味着更强的氧化能力。通过形成固溶体能够有效调节催化剂的能带结构。在可见光光催化降解活性深蓝K-R的实验中,BiOCl0.2Br0.1I0.7较纯BiOI表现出更优异的光催化性能,可见光下反应进行2小时后,BiOCl0.2Br0.1I0.7对活性深蓝K-R的降解效率可达97%,高于纯BiOI的88%。这种光催化性能的提高主要归因于较大的比表面积,较低的光生载流子复合效率,较强的可见光吸收和价带氧化能力。
　　(2)通过溶剂热法成功合成了碘自掺杂BiOI1.5和纯BiOI光催化剂。可见光下光催化降解活性深蓝K-R的实验结果表明,碘自掺杂的BiOI1.5光催化剂表现出优于纯BiOI的光催化性能,光催化反应进行2小时,对BiOI1.5活性深蓝K-R的降解率达到了97.8%,而BiOI只有70%。另外,结合表征测试结果可知,BiOI1.5有比纯BiOI更大的比表面积,可达43.72m2/g,并且BiOI1.5比纯BiOI有更强的可见光吸收。同时自掺杂后的BiOI1.5光催化剂其导带和价带结构得到了调整,故更有利于光生电子-空穴对的传输、分离,进而提高光量子效率
　　(3)通过机械球磨法成功合成了WO3质量分数分别为1%、3%和5%WO3/BiOI复合光催化剂。在可见光光催化降解活性深蓝K-R的实验中,WO3/BiOI复合光催化材料均表现出较纯BiOI更强的光催化性能,特别是3%WO3/BiOI复合光催化剂展现出最优异的光催化性能,光催化反应进行2小时后,其对K-R的降解率可达92.8%,而纯BiOI只有70%。结合能带结构计算结果,提出了复合光催化剂光生电子空穴对的分离模型,说明了WO3/BiOI复合光催化剂光催化性能较纯BiOI提高的原因是WO3和BiOI之间形成的半导体异质结有效抑制了光生电子空穴对的复合,从而提高了光量子效率。但是,随着WO3含量的增加,复合光催化剂的光催化性能却降低,这是由于过多WO3的反而会成为光生载流子的复合中心,因此导致光催化性能下降。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 光催化技术原理及研究进展

1.3 光催化技术降解偶氮染料研究进展

1.4 可见光光催化材料研究进展

1.5 卤氧化铋光催化材料研究进展

1.6 光催化剂光催化活性评价

1.7本文的研究内容及意义

2 BiOCl0.2Br0.1I0.7三元复合固溶体光催化剂的合成及其可见光光降解活性深蓝K-R的性能研究

2.1 前言

2.2 BiOCl0.2Br0.1I0.7三元复合固溶体的液相沉淀法制备

2.3 实验结果与讨论

2.4 本章小结

3 碘自掺杂BiOI1.5光催化剂的合成及其可见光光催化降解活性深蓝K-R的性能研究

3.1 前言

3.2 碘自掺杂BiOI1.5的溶剂热法制备

3.3 实验结果与讨论

3.4 本章小结

4 WO3/BiOI复合光催化剂的制备及其可见光光催化降解活性深蓝K-R的性能研究

4.1 前言

4.2 WO3/BiOI复合光催化剂的机械球磨法制备

4.3 实验结果与讨论

4.4 本章小结

5 全文总结

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表的论文