异质结光催化剂的构建及其可见光下光催化性能和机理研究

摘要

环境污染和能源匮乏已成为社会可持续发展道路上的两大主要难题，如何有效地解决上述问题成为当下的首要任务。半导体光催化是一项能源消耗低，不会引发二次污染的绿色环保技术，可以有效地治理环境中的水体污染以及制备新型的清洁能源（氢气能源）。至今为止，大量的半导体光催化剂已经被开发利用，但是光催化性能较低等问题使其在应用中受到很大的限制，造成这些问题的主要原因是由于传统半导体的带隙较宽无法有效地利用光能以及单一的半导体光生电荷复合概率较高。构建异质结结构是一种有效解决上述问题的方式，它通过将两种或两种以上的半导体材料进行结合而形成的空间电势差来提高电子-空穴对的分离效率和光能利用率，进而改善催化性能。 因此，本文选用了钒酸盐和碳材料作为基底构建异质结光催化剂，通过多种表征手段确定其晶型、结构、形貌、光电化学性质等等。通过研究异质结光催化材料反应过程中的电荷转移机制，探索其光催化反应机理。主要的研究内容如下：（1）BiVO4异相结光催化剂的构建及其可见光下降解四环素性能和机理研究 通过微波辅助的方法合成了混合晶相的单斜-四方型BiVO4异相结光催化剂（M-T BiVO4），并通过有机试剂的添加实现了不同BiVO4晶型结构（单斜型（M-BiVO4）、四方锆石型（T-BiVO4））的调控。所制备样品的光催化活性通过可见光下降解四环素进行验证，并得出相比较于单一晶型的BiVO4样品，单斜-四方型BiVO4异相结光催化剂展现了一个提高的光催化性能，在可见光照射1 h后其四环素的降解效率为80.5%。通过进一步的荧光光谱和捕获剂的实验探究可以得知单斜-四方型 BiVO4 异相结光催化剂对四环素的高降解效率是由于不同晶型BiVO4组建成的异相结可以有效地促进电子空穴分离，提高其光催化性能。 （2）Ag3VO4基异质结光催化剂的构建及其可见光下降解污染物性能和机理研究 ① 通过水热和共沉淀两步方法成功的制备了Ag3VO4/WO3异质结光催化剂。所构建的10%Ag3VO4/WO3复合材料展现出最优的光催化降解抗生素的性能，在可见光照射 30 分钟内，四环素的去除效率达到了 71.2％，分别是单一 Ag3VO4和WO3光催化剂降解效率的3.1倍和4.6倍。通过活性物质捕获实验和电子顺磁共振的测试进行了光催化机理的探究，并且发现活性的增强是由于异质结结构的构建有效地提高了电子-空穴的分离效率。 ② 通过水热法和共沉淀法合成了一种新型可见光响应的 Ag3VO4/BiVO4异质结复合材料。BiVO4和Ag3VO4的复合比例对异质结材料的光催化性能有着重要的影响，并且通过实验探究可以得知当BiVO4和Ag3VO4的摩尔比例为10：1时的 Ag3VO4/10BiVO4样品其光催化性能最优，在可见光照射 20 min 后对罗丹明B染料的降解效率达到了95.9％，分别是单体BiVO4和Ag3VO4降解效率的10倍和3.4倍。此外，Ag3VO4/10BiVO4样品对其他有机染料如亚甲基蓝（MB）和甲基紫（MV）也显示出优异的降解活性。Ag3VO4/10BiVO4样品优异的光催化性能主要是由于异质结结构的组建加快了光生电子-空穴的分离。通过进一步的活性物质捕获实验和ESR测试探索了其反应的机理。 （3）碳材料基多组分异质结光催化剂的构建及其可见光下光催化性能和机理研究 ① 通过水热法制备了新型氮掺杂石墨烯量子点(NGQDs)-BiOI/MnNb2O6 p-n结光催化剂并应用于环境的治理。选用了不同的抗生素，如四环素、土霉素、环丙沙星和多西环素用来评价所制备样品的光催化性能。通过与单体的 MnNb2O6和 BiOI的性能对比，多元异质结材料（NGQDs-BiOI/MnNb2O6）展现出了一个提高的光催化活性，并且发现最佳配比5％NGQDs-BiOI/MnNb2O6的样品在可见光下照射1h后，四环素的降解效率达到了87.2％。实验结果表明，无论是BiOI和 MnNb2O6比例还是 NGQDs 的含量都对抗生素降解效率有重要的影响。通过电化学测试、电子顺磁共振、活性物种捕获实验等测试，发现p-n结的构建以及NGQDs的高电荷迁移率，加速了光生电荷的分离效率，从而提高了光催化活性。 ② 通过水热、煅烧的制备方法合成了氮掺杂石墨烯量子点(NGQDs)-BiVO4/g-C3N4 Z型结构光催化剂，并选用了多种抗生素（四环素、环丙沙星和土霉素）对其进行了光催化性能的探究。通过实验调节可以发现当BiVO4和g-C3N4质量比值为1：2，NGQDs的含量为5%时组建成的5%NGQDs-BiVO4/2g-C3N4复合材料展现出最高的催化活性，在可见光下照射30 min后光催化降解四环素的效率达到了91.5%，远远高于单一BiVO4和g-C3N4的催化活性。除此之外，5%NGQDs-BiVO4/2g-C3N4样品还展示出较高的光稳定性能。通实验的探究可以得知光催化性能的提高主要是由于两个不同半导体之间构建了 Z 型异质结结构有效地抑制了电荷的重组，并且在加入NGQDs后加速了电子的转移速度。 ③ 利用水热等方法制备了氮掺杂石墨烯量子点(NGQDs)-ZnNb2O6/g-C3N4三元复合材料并且在可见光的照射下展现出了良好的光解水产氢气的能力。通过实验的探究可以得出无论是ZnNb2O6和g-C3N4的比例还是NGQDs的含量都对三元复合材料的产氢性能有着重要的影响，并且发现当ZnNb2O6和g-C3N4的摩尔比例为1:7，NGQDs的含量为5%(5%NGQDs-ZnNb2O6/7g-C3N4）时其光催化产氢效率最高为340.9 μmol?g-1?h-1。通过进一步光电流、阻抗、荧光等测试发现异质结的构建和NGQDs的引入有效地增强了复合光催化剂对可见光的吸收并且促进了电子的迁移速率，进而改善了催化性能。

目录

第一个书签之前