含铋新型材料的制备及其光催化应用研究

摘要

能源短缺和环境污染是当前人类面临的重大挑战,利用太阳能来解决全球性的能源和环境问题越来越受到人们的重视。光催化可以将低密度的太阳光能转化为高密度的化学能、电能,并可以直接利用太阳光降解和矿化水和空气中的各种污染物,因而在环境净化和新能源开发方面具有巨大潜力。光催化的核心是光催化剂。目前文献所报道的光催化剂中,铋系光催化剂以其独特的电子结构、优良的可见光吸收能力和很高的有机物降解能力引起了研究者们的极大兴趣。
　　 基于铋系半导体光催化剂的优点,本文制备了三种含铋复合光催化材料(Bi2O3-MgO、Bi-Cu-Fe-Ox、BiVO4),以水溶液悬浮体系中典型染料(罗丹明B、甲基橙、结晶紫)的降解脱色反应为模型反应研究了其光催化活性,考察了制备和反应条件对其光催化性能的影响。采用XRD、UV-vis DRS、SEM等技术对光催化剂进行表征,并对催化剂结构与其光催化性能之间的构效关系进行关联。
　　 采用溶剂热法制备了系列Bi2O3-MgO复合光催化剂。以波长大于400 nm的可见光降解罗丹明B为模型反应,结果表明,当铋镁摩尔比为2:1,120℃晶化20 h的Bi2O3-MgO光催化性能最佳。由于载流子的复合受到抑制,与纯组分相比,Bi2O3-MgO复合材料对罗丹明B的降解显示了更高的活性。在盐酸的协同作用下,Bi2O3-MgO光降解罗丹明B的效率显著提高。这可能是由于盐酸的加入增加了罗丹明B在催化剂表面的吸附,即增加了催化剂表面的染料浓度,从而使光降解速率大大提高。
　　 采用溶剂热法制备了Bi-Cu-Fe复合氧化物光催化剂。Bi-Cu-Fe样品由薄片紧密堆叠而成的球形颗粒组成,颗粒尺寸范围为1.5μm。Bi-Cu-Fe-Ox对甲基橙的光催化降解性能与反应条件、甲基橙初始浓度、催化剂投加量和H2O2用量有关。H2O2对甲基橙的降解有良好的促进作用。反应速率常数随甲基橙初始浓度的增大而降低。催化剂的最佳投加量为0.05 g,H2O2最佳用量为1.0 mL。Bi-Cu-Fe-Ox光催化降解甲基橙的脱色反应为表观一级反应,可用L-H动力学方程描述。
　　 采用赖氨酸辅助水热法制备了具有规则形貌和狭窄带隙的高效单斜BiVO4光催化剂。以可见光(λ>400 nm)照下结晶紫染料的降解脱色为模型反应评价其光催化活性。结果表明,当赖氨酸的前驱体溶液200℃水热处理48 h时所制备的BiVO4光催化性能最佳。SEM图表明BiVO4颗粒为带有直径为2μm球体的蜂窝状结构。UV-Vis DRS表明其带隙为1.81 eV,比传统水热法制备BiVO4的带隙(2.06 eV)更狭窄。采用赖氨酸辅助水热法比采用传统水热法制备BiVO4的光催化活性更高。光吸收能力和光催化活性的提高可能与其带有光滑微球的蜂窝状结构有关。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 非均相光催化

1.1.1 简介

1.1.2 光催化机理

1.1.3 光催化活性的影响因素

1.2 铋系半导体光催化研究及应用进展

1.2.1 氧化铋光催化剂

1.2.2 铋的金属复合光催化剂

1.2.3 铋的非金属复合光催化剂

1.2.4 Bi2O3、Bi12TiO20、Bi2WO6、BiVO4、BiOX(X=Cl,Br,I)及TiO2结构、能带及光催化性能比较

1.3 本论文的主要研究内容

第2章 Bi203-MgO复合材料的制备及其光催化性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 仪器

2.2.2 试剂

2.2.3 样品制备16

2.2.4 光催化性能评价实验

2.3 结果与讨论

2.3.1 光催化活性评价

2.3.2表征结果

2.3.3 反应机理

2.4 本章小结

第3章 Bi-Cu-Fe复合氧化物的制备、表征及光催化性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 仪器

3.2.2 试剂

3.2.3 样品制备

3.2.4 光催化性能评价实验

3.3 结果与讨论

3.3.1 表征结果

3.3.2 光催化活性评价

3.3.3 动力学分析

3.4 本章小结

第4章 钒酸铋的赖氨酸辅助水热制备及其光催化性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 仪器

4.2.2 试剂

4.2.3 样品制备

4.2.4 光催化性能评价实验

4.3 结果与讨论

4.3.1 光催化活性评价

4.3.2 表征结果

4.3 BiV04光催化剂结构参数与光催化活性之间的关系

4.4 本章小结

结论

参考文献

附录A（攻读学位期间发表的学术论文）

致谢