离子液体中钒酸铁基材料的设计及其增强光催化性能研究

摘要

自上世纪以来，环境污染和能源短缺问题日渐突出，研发绿色能源是趋大势之举。在现有众多可再生资源中，太阳能作为绿色环保、安全无害以及储量最大的资源，利用前景极为广阔。光催化技术作为一项可直接将太阳能转化为化学能的新兴技术，可有效利用太阳光进行能源转化和环境净化，是同时实现环保和节能的有效途径。在光催化技术中，光催化材料的设计至关重要。如今，研发高效实用的新型光催化剂已成为光催化领域的研究热点，通过构建异质结体系以开发新型高效半导体光催化剂是常用的有效策略。本文旨在以铁基离子液体为铁源，探索新型钒酸铁（FeVO4）催化剂的合成及其复合光催化材料在环境净化方面的应用。文中通过简单可控的方法制备了 FeVO4、g-C3N4/FeVO4和Ag3VO4/FeVO4三种新型光催化材料，采用多种表征手段确定上述光催化材料的微观结构、形貌及光学性能。同时在可见光辐照条件下考察上述材料降解有机污染物的光催化活性及稳定性。最后对光催化材料的结构及其活性之间的关系展开了深入研究，并提出了相应的光催化机理。具体研究内容如下：
　　（1）以1-辛基-3-甲基咪唑四氯合铁([Omim]FeCl4)为铁源，通过离子液体辅助水热和煅烧两步法制得介孔 FeVO4纳米棒光催化剂。通过对该材料进行X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、紫外-可见漫反射光谱（DRS）和比表面积分析（BET）等一系列基础表征方法确定其表观结构、形貌及内在光电性能。结果表明离子液体中所制备的介孔FeVO4纳米棒光催化材料形貌均一，孔径（3-7 nm）分布均匀，且具有较大的比表面积（255.83 m2/g）。所制备的催化剂禁带宽度为2.35 eV，有较宽的紫外可见光谱吸收范围。同时，在可见光辐照条件下，光催化活性实验显示介孔FeVO4纳米棒类芬顿光催化剂不仅可应用于有色染料（罗丹明 B）的快速有效降解，还对四环素无色有机污染物也具有较高的光催化降解性能。此外，通过与常规的无机盐为铁源制备的 FeVO4纳米材料对比可知，离子液体中合成的 FeVO4具有更为优良的表面性能、光电化学性能和光催化活性。由此可确定离子液体[Omim]FeCl4在材料制备过程中不但可作为反应源，还可作为模板剂对纳米棒的形成以及结构性能的调控起到了重要作用。最后提出了FeVO4作为一种三效异相光芬顿催化剂降解污染物的可能机理。
　　（2）通过水热合成法成功制备了g-C3N4/FeVO4光催化剂。采用XPS、FT-IR、SEM、TEM和 DRS等基础表征方法确定材料的表观结构、形貌及光学性能。表征结果表明， FeVO4纳米棒均匀分布并附着在薄层 g-C3N4表面，并在两者接触界面处形成异质结结构；薄层g-C3N4的引入拓宽了FeVO4的光吸收阈值，提高了其光生载流子的迁移传输效率；可见光催化降解实验结果表明，在光催化反应6 h后，20 wt% g-C3N4/FeVO4对RhB降解效率（99.4%）最高，而薄层g-C3N4和FeVO4的RhB降解效率分别为74.5%和14.7%。光催化机理分析表明，g-C3N4和FeVO4之间的能带位置匹配良好，有利于光生载流子的传输和分离，从而导致g-C3N4/FeVO4光催化性能相比于单体有极大提升。
　　（3）通过原位合成法成功制备了 Ag3VO4/FeVO4光催化剂。采用 XRD、 XPS、SEM、TEM、DRS和PL等基础表征确定材料的表观结构、形貌及光学性能。表征结果表明，Ag3VO4颗粒均匀分布并附着在FeVO4纳米棒表面，并在两者接触界面处形成异质结结构；Ag3VO4的引入拓宽了FeVO4的光吸收阈值，提高了材料光生载流子的迁移传输效率；可见光催化降解实验结果表明，在光催化反应3 h后，40 wt%Ag3VO4/FeVO4对RhB降解效率（99.7%）最高，而Ag3VO4单体的RhB降解效率仅为59.4%。光催化机理分析表明，Ag3VO4和FeVO4的能带位置匹配良好，有利于光生载流子的传输和分离，从而致使Ag3VO4/FeVO4光催化性能相比于单体有极大提升。

目录

声明

第一章 绪论

1.1前言

1.2光催化技术及其在水环境污染控制中的应用

1.3一维钒酸盐类半导体研究进展

1.4 离子液体在纳米材料合成中的应用

1.5 论文的选题依据和主要研究内容

第二章 离子液体中介孔FeVO4纳米棒材料的合成及光催化性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 g-C3N4/FeVO4复合材料的制备及其光催化性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 Ag3VO4/FeVO4复合材料的制备及其光催化性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表论文