碳掺杂铋基光催化剂制备及其可见光降解五氯酚钠特性

摘要

近年来，水体中有机污染物光催化降解受到了越来越多的关注。尽管传统光催化剂二氧化钛有着良好的活性和稳定性，但是它仅能利用紫外光（约4％的太阳光）。因此，为了更好的利用太阳光，人们致力于开发具有可见光活性的光催化材料。而铋基光催化剂则是当前备受关注的可见光催化材料。
　　本文试图发展一种有效的非金属碳掺杂的策略改性氧化铋，赋予氧化铋可见光吸收能力和更有效的电荷分离效果，增强其可见光降解和矿化有机污染物能力。我们以硝酸铋和葡萄糖为前驱物通过一种温和的溶剂热结合后续煅烧的方式制备碳掺杂氧化铋;研究了不同碳掺杂量对碳掺杂氧化铋活性的影响;并通过各种不同的表征手段揭示碳掺杂对氧化铋光催化剂结构和活性影响的根源。实验结果发现，碳掺杂氧化铋相对未掺杂的样品，在可见光区域有着更广的光吸收特性。我们重点研究了碳掺杂氧化铋降解五氯酚钠的活性物种和具体路径。活性物种检测说明在降解五氯酚钠的过程中，空穴起着主导的作用，羟基自由基有辅助作用。自由基和离子检测表明碳掺杂氧化铋体系的羟基自由基、氯离子和甲酸的产生量和速率都超过了纯氧化铋。色谱-质谱分析发现五氯酚钠降解产物有2，3，5，6-四氯-1，4-对苯二酚、3，4，5，6-四氯-1，2-邻苯二酚，这证实了空穴引发的氧化脱氯是五氯酚钠降解的主要初始步骤。为了检测体系降解过程中可能产生的小分子酸和醇类，我们将降解样品衍生化，并检测到一些五元环和醇的存在。
　　新型光催化剂氯氧化铋也只能吸收紫外光。我们希望通过碳的掺杂拓宽它的光响应区域，以达到有效利用太阳光的目的。我们用五氯酚钠作为目标污染物来测试碳掺杂氯氧化铋的可见光活性，通过GC-MS分析发现降解产物含有2，3，5，6-四氯-1，4-对苯二酚、3，4，5，6-四氯-1，2-邻苯二酚、2，3，4，6-四氯苯酚、2，3，5，6-四氯苯酚、2，3，4，5-四氯苯酚、3，4，5-三氯-1，2-邻苯二酚、3，4，6-三氯-1，2-邻苯二酚。为了研究超氧负离子的作用，我们在碳掺杂氯氧化铋降解五氯酚钠体系中添加了超氧负离子捕获剂，发现超氧负离子捕获剂的加入抑制了还原脱氯中间产物的生成，中间产物只有邻（对）位脱氯上羟基产物。这与碳掺杂氧化铋可见光降解五氯酚钠的中间产物一致。因此，我们认为超氧负离子在碳掺杂氯氧化铋催化降解五氯酚钠中起着加速降解并改变五氯酚钠降解途径重要的作用。
　　对照碳掺杂氧化铋和碳掺杂氯氧化铋可见光降解五氯酚钠的过程，我们认为在五氯酚钠降解过程中，空穴主要作用是引发最初的氧化脱氯和进一步氧化降解中间产物;羟基自由基则无选择地氧化中间产物;而超氧负离子主要通过还原脱氯的作用来增加脱氯产物的种类，这些脱去氯原子的中间产物便于后续空穴和羟基自由基的进一步氧化和开环。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 环境污染概况

1．2．1 大气污染现状

1．2．2 水污染现状

1．2．3 污染的治理

1．3 半导体光催化基本原理

1．3．1 基本原理

1．3．2 影响光催化性能的因素

1．4 铋系光催化剂

1．5 提高光催化性能策略

1．5．1 掺杂

1．5．2 表面贵金属沉积

1．5．3 半导体复合

1．6 论文的主要选题内容

第二章 碳掺杂氧化铋可见光降解五氯酚钠的研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂

2．2．2 实验仪器

2．2．3 光催化剂的合成

2．2．4 光催化剂的表征

2．2．5 光催化降解实验

2．2．6 活性物种的检测实验

2．2．7 光电化学分析

2．2．8 溶液中离子分析

2．2．9 中间产物分析

2．3 结果与讨论

2．3．1 物相结构分析

2．3．2 样品表面性质及带位置测定

2．3．3 光降解五氯酚钠及其机理研究

2．4 本章小结

第三章 碳掺杂氯氧化铋可见光降解五氯酚钠的研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂

3．2．2 实验仪器

3．2．3 光催化剂的合成

3．2．4 光催化剂的表征

3．2．5 光催化降解实验

3．2．6 活性物种的检测

3．2．7 中间产物的分析和推测的光催化降解途径

3．3 结果与讨论

3．3．1 物相结构分析

3．3．2 可见光降解五氯酚钠

3．3．3 中间产物及光催化机理研究

3．3．4 超氧负离子对五氯酚降解的影响

3．4 本章小结

第四章 结论与展望

参考文献

致谢