Bi12O17Cl2纳米带的合成及光催化氧化有机物性能研究

摘要

近年来，半导体光催化技术作为一种新型的高级氧化技术在解决环境污染问题和能源危机的过程中显示出日益明显的优势。在所有的光催化剂中，TiO2因其具有无毒、稳定和价格低廉等优点已经被人们广泛使用，但是它的能带隙达到了3.2eV，使得它不能够吸收利用占据太阳光谱中很大比例的可见光，这就大大限制了它的应用范围。
　　最近，卤氧化铋作为一种新型的半导体催化剂，它们自身独特的层状结构使其具有优良的电学性质、光学性质、磁学性质、光致发光和光催化性质。因此，具有高可见光活性卤氧化铋的制备具有重要的科学意义。
　　本文首先采用了水热法成功制备了一种新型的可见光光催化剂Bi12O17Cl2纳米带。对于我们制备的这种光催化剂我们进行了一系列的表征，这些表征都包括X射线晶体粉末衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、紫外可见光漫反射光谱仪(DRS)、X射线光电子能谱仪(xPs)以及N2吸附-脱附等。表征的实验结果证明了我们所制备的样品是相纯的，而它的微观结构是一种类似于纳米带的特殊形貌，并且它的能带隙我们使用经验公式估算为2.43eV。我们所制备的这种新型光催化剂在波长大于420nm可见光的照射可以高效地光催化降解五氯苯酚(PCP)。此外，本文中我们还非常详细深入地研究了这个体系中的氧化活性物种和降解PCP过程中产生的一系列中间产物。基于以上的实验结果和证据，我们提出了可能的Bi12O17Cl2纳米带光催化降解PCP的机理和降解途径。
　　其次，在本论文中我们证明了光催化氧化苯甲醇的选择性高度依赖与半导体的价带位置，同时我们先前制备的Bi12O17Cl2纳米带也可以通过空穴直接氧化的途径有效地光催化选择性氧化苯甲醇至苯甲醛。虽然在这个体系中分子氧和产生的超氧自由基对于氧化反应的发生起了重要作用，但是我们发现分子氧在本体系真正的作用是捕获光生电子生产超氧自由基，以此来抑制光生载流子的复合，分子氧并没有直接参与苯甲醇的氧化。我们体系中的分子氧的作用是明显不同于先前文献报道过的光催化剂TiO2和g-C3N4。这项研究成果可以为将来苯甲醇选择性氧化过程中活性物种作用的研究和设计新型的可见光光催化剂作用于选择性氧化苯甲醇的工作提供了新的思路。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 半导体光催化技术的基本原理

1．3 半导体光催化技术的应用

1．3．1 环境污染控制

1．3．2 能源供给

1．3．3 杀菌

1．3．4 自清洁涂层

1．3．5 光催化合成反应

1．3．6 化妆品方面的应用

1．4 铋系半导体光催化剂

1．4．1 掺杂

1．4．2 重金属沉积

1．4．3 半导体复合

1．4．4 新型化学计量比的氯氧铋半导体催化剂

1．5 论文的选题思想及主要内容

第二章 新型可见光光催化剂Bi12O17Cl2的制备、表征及光催化降解有机污染物五氯苯酚的研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂及仪器

2．2．2 Bi12O17Cl2的制备

2．2．3 样品的表征

2．2．4 光催化降解五氯苯酚的实验

2．2．5 活性物种的检测实验

2．2．6 催化剂价带导带位置的电化学测试

2．2．7 中间产物的检测

2．3 结果与讨论

2．3．1 样品的XRD分析

2．3．2 样品的形貌分析

2．3．3 样品的DRS分析

2．3．4 X-射线光电子能谱(XPS)分析

2．3．5 样品的比表面积和孔径分布的分析

2．3．6 光催化性能的评价

2．3．7 PCP的降解途径

2．4 本章小结

第三章 新型可见光光催化剂Bi12O17Cl2选择性光催化氧化苯甲醇的研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂及仪器

3．2．2 样品的制备

3．2．3 苯甲醇和苯甲醛的循环伏安测定

3．2．4 光催化氧化苯甲醇的实验

3．2．5 Bi12O17Cl2光催化氧化苯甲醇的机理分析

3．2．6 光电化学实验

3．2．7 同位素标记的光催化氧化苯甲醇实验

3．3 结果与讨论

3．3．1 苯甲醇和苯甲醛的循环伏安图分析

3．3．2 不同类型的光催化剂可见光光催化苯甲醇的结果分析

3．3．3 Bi12O17Cl2纳米带可见光光催化苯甲醇的结果分析

3．3．4 Bi12O17Cl2纳米带可见光光催化氧化苯甲醇的机理分析

3．3．6 同位素标记的光催化氧化苯甲醇实验结果分析

3．4 本章小结

第四章 结论与展望

参考文献

附录 作者攻读硕士学位期间发表论文和申请专利情况

致谢