溴化银基纳米复合材料的可控制备及其光催化性能研究

摘要

能源短缺和环境污染是目前阻碍人类社会可持续发展的两大难题，寻找可替代的绿色新能源是解决问题的关键。半导体光催化氧化技术作为一种新型的环境污染治理技术，能有效利用太阳能去除有机污染物，因而备受人们的青睐。传统的半导体光催化材料因其可见光利用率低、原料毒性大、合成成本高、光稳定性差等缺点制约了其在光催化领域的进一步发展。因此如何采用科学调控手段制备高可见光响应的新型功能复合材料，是目前材料、光催化和环境领域研究工作者面临的机遇和挑战。自2010年叶金花课题组发现Ag3PO4材料的光催化活性以来，银系材料由于其合适的能带宽度、较宽的可见光吸收范围、较高的可见光响应活性引起了国内外学者的广泛关注。本论文采用简单的液相合成法、通过控制实验参数合成不同形貌的AgBr光催化剂，并利用常规的检测手段表征样品的化学组成、晶体结构、表面形貌和光吸收性能。为继续增强AgBr光催化剂的催化活性和稳定性，本文还研究了Ag/Ag3PO4/AgBr异质结、GO/Ag/AgBr、g-C3N4/Ag/AgBr三体系复合光催化剂，并分别探讨了他们的光催化活性和作用机理。具体内容如下:
　　首先采用简单的液相离子沉淀法，选择适当的溶剂和溴源，控制表面活性剂添加量，合成了椭球形AgBr、多面体Ag/AgBr、类球形Ag/AgBr微纳结构。利用SEM、XRD、XPS等手段对其进行了形貌、物相、微结构及表面价态表征。通过降解RhB发现，多面体及类球形Ag/AgBr微晶的光催化活性和稳定性比椭球形AgBr微晶更高，循环使用5次后光催化活性也优于椭球形AgBr微晶。其光催化活性提高的原因可能是在于银单质的引入形成的表面等离子体共振效应。
　　其次，以Ag3PO4为前驱体、溴化钠为离子交换剂制备Ag/Ag3PO4/AgBr等离子体异质结复合光催化剂，利用SEM、XRD、XPS等研究了样品的表面形貌、化学组成及键合状态，利用紫外-可见光分光光度计测定了其光吸收性能，并研究了复合催化剂在可见光下对RhB以及MB、MO的光催化活性，考察了催化剂的循环使用及捕捉剂对其性能的影响。实验结果表明:与纯AgBr相比，Ag/Ag3PO4/AgBr异质结具有更高的光催化活性和稳定性。而Ag3PO4和AgBr之间匹配的能带结构和包含大量活性位点的异质结可能是其高催化活性的原因。
　　第三，利用二维材料(GO)作为催化剂载体，通过静电自组装方法制备GO/Ag/AgBr三体系复合光催化剂，利用SEM、TEM、XRD、XPS等手段对复合材料的形貌状态、表面性质、化合价态、组成变化进行分析，探讨了其光催化降解不同染料（RhB、MO、MB）的活性，对比了二维材料不同添加量对活性的影响。实验结果表明，光催化过程中GO特殊的电子结构使得AgBr光催化剂中受光激发产生的电子迅速传输分离，使得光生电子和空穴在二维空间上达到有效分离，提高了光催化剂的量子效率，进而影响光催化效果。
　　最后，选用新型聚合物半导体g-C3N4与AgBr复合，制备了g-C3N4/Ag/AgBr三体系复合光催化剂。利用SEM分析了复合材料的表面形貌、通过XRD、XPS表征了复合材料的元素组成及化合价态，分析了其在可见-紫外光区的吸收性能，探讨了其光催化降解不同染料（RhB、MO、MB）的催化活性及稳定性。实验结果表明，g-C3N4的添加一定程度上控制了材料的粒径，提高了复合光催化材料的催化活性和稳定性，这主要归功于聚合物半导体g-C3N4与AgBr匹配的能带结构以及二者之间形成的异质结接触面。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．1．1 水污染状况

1．1．2 传统水污染的治理方法

1．1．3 光催化技术在废水处理中的作用

1．2 可见光响应的半导体光值化材料研究进展

1．2．1 半导体光催化反应的基本原理

1．2．2 光催化应用面临的主要技术问题

1．2．3 半导体光催化材料的研究进展

1．3 银系半导体材料的研究进展

1．3．1 含氧型银系光催化材料

1．3．2 AgX型银系光催化材料

1．4 本课题的研究内容与意义

第二章 实验方法

2．1 实验试剂与实验仪器

2．2 测试表征方法

2．2．1 扫描电镜分析

2．2．3 X射线衍射分析

2．2．4 X射线光电子能谱

2．2．5 拉曼光谱

2．2．6 紫外-可见漫反射光谱

2．2．7 豢外-可见吸收光谱

2．2．8 比表面积

2．2．9 总有机碳分析

2．3 光催化性能测试

2．3．1 可见光光催化活性评价方法

2．3．2 活性基团检测

2．3．3 光催化循环稳定性测试

第三章 Ag／AgBr微纳结构的可控制备及其光催化性能研究

3．1 引言

3．2 实验

3．2．1 样品制备

3．2．2 性能表征及光催化实验

3．3 结果与讨论

3．3．1 扫描电镜分析(SEM)

3．3．2 X射线衍射分析(XRO)、X射线光电子能谱分析(XPS)

3．3．3 紫外可见漫反射分析(DRS)

3．3．4 氮气等温吸脱附测试

3．3．5 光催化活性分析

3．3．6 自由基捕捉剂测试

3．3．7 光催化稳定性分析

3．4 光催化机理探讨

3．5 本章小结

第四章 Ag／A93PO4／AgBr异质结复合材料的制备及光催化性能研究

4．1 引言

4．2 实验

4．2．1 样品制备

4．2．2 性能表征及光俄化实验

4．3 结果与讨论

4．3．1 扫描电镜分析(SEM)

4．3．2 X射线衍射分析(XRD)、X射线光电子能谱分析(XPS)

4．3．3 紫外可见漫反射光谱(DRS)

4．3．4 光值化活性分析

4．3．5 自由基捕捉剂测试

4．3．6 光催化稳定性分析

4．4 光催化原理探讨

4．5 本章小结

第五章 GO／Ag／AgBr三体系复合材料的制备及光催化性能研究

5．1 引言

5．2 实验

5．2．1 样品制备

5．2．2 性能表征及光值化实验

5．3 GO／Ag／AgBr结果与讨论

5．3．1 扫描电镜分析(SEM)

5．3．2 透射电镜分析(TEM)

5．3．3 X射线衍射分析(XRD)、X射线光电子能谱分析(XPS)

5．3．4 拉曼光谱(Raman)

5．3．5 鬃外可见漫反射分析(DRS)

5．3．6 光催化活性分析

5．3．7 自由基捕捉剂测试

5．3．8 光催化稳定性分析

5．4 光催化原理探讨

5．5 本章小结

第六章 g-C3N4／Ag／AgBr三体系复合材料的制备及光催化性能研究

6．1 引言

6．2 实验

6．2．1 样品制备

6．2．2 性能表征及光催化实验

6．3 g-C3N4／Ag／AgBr结果与讨论

6．3．1 扫描电镜分析(SEM)

6．3．2 透射电镜分析(TEM)

6．3．3 X射线衍射分析(XRD)、X射线光电子能谱分析(XPS)

6．3．4 紫外可见漫反射分析(DRS)

6．3．5 光催化活性分析

6．3．6 自由基捕捉剂测试

6．3．7 光催化翟I定性分析

6．4 光催化原理探讨

6．5 本章小结

第七章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表论文专利目录