氮化硼复合型光催化材料的制备及光催化活性研究

摘要

染料废水的排放处理是近年来环境治理中的重点和难点。半导体光催化技术与常用的物理方法和生物方法相比，被认为是最有前景及最有效的环境净化技术。目前，TiO2作为传统半导体光催化剂的典型代表，具有非常高的稳定性、非常强的光催化能力以及无毒无害等突出的优点，在去除空气和水体中有机及无机污染物方面得到广泛的研究和应用。然而，TiO2并不是最理想的光催化剂，它响应范围主要集中于紫外区，低太阳光利用效率（约占4％）和高光生电子与空穴复合率是影响进一步应用的阻碍。因此，有必要设计开发高效、稳定的新型可见光响应光催化材料。
　　本论文围绕高温煅烧合成的氮化硼(BN)作为掺杂剂，分别采用水浴和煅烧方法制备了BN/AgBr、BN/WO3和BN/MoO3复合半导体光催化材料，并通过调变BN在复合材料中的含量，对半导体材料进行改性以提高其在可见光下的光催化活性，同时结合改变的催化活性来探究BN引入对光催化活性的影响规律和机理。具体内容如下:
　　1、使用水浴方法合成BN/AgBr复合光催化材料。通过X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)、透射电子显微镜(TEM)、能量色散X射线光谱仪(EDS)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外可见漫反射光谱(DRS)、光致发光光谱(PL)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)等手段对其结构进行表征。实验以甲基橙作为目标污染物对所制备的BN/AgBr材料进行光催化活性测试。结果表明，AgBr的光催化活性可以通过加入适量的BN得到显著改善，且研究发现BN的最佳掺杂量为1.0 wt％，此时在可见光照射下，甲基橙分子几乎在15 min内被完全降解。同时发现所制备的光催化剂在循环使用5次后，其活性几乎没有降低，证明所制备的复合催化剂具有良好的稳定性。另外对回收后的光催化剂进行XRD测试并未发现单质银衍射峰，这表明一定量的BN引入有效的抑制Ag+的还原，促进AgBr光致稳定性的提升。并对BN引入后光催化性能提升的机理进行分析。
　　2、以钨酸铵为前驱体通过两步煅烧法合成BN/WO3复合光催化剂，分别通过XRD、TEM、XPS、DRS、FT-IR等手段对所制备的光催化剂进行结构、形貌、元素价态和光学特性的分析。从XRD图上可以发现，BN的引入并未改变WO3的晶型结构。另外从TEM图可以发现，BN与WO3的相互结合使复合催化剂的纳米尺寸减小，产生量子尺寸效应，这一结果也可以从DRS图上看出，即所制备的复合光催化剂BN/WO3在可见光区的吸收带边发生蓝移。同时实验以罗丹明B为目标污染物对所制备的复合催化剂BN/WO3进行光催化性能测试，结果表明BN/WO3（5wt％）复合光催化剂在可见光照射3h后对罗丹明B的降解率达到82％，其降解效率为单体WO3催化活性的4倍，并对复合光催化剂增强的光催化活性进行探究。
　　3、以钼酸铵为前驱体煅烧制备BN/MoO3复合催化剂，分别通过XRD、SEM、XPS、DRS、FT-IR等手段对所制备的材料进行晶型结构、形貌、元素价态和光学特性的表征。实验以RhB为目标污染物，考察所制备的BN/MoO3复合催化剂的光催化性能。从实验结果可以看出，在可见光照射下3 wt％ BN/MoO3对罗丹明B的降解效果最好，是相同条件下单体MoO3降解罗丹明B效率的3.9倍，且复合催化剂BN/MoO3对罗丹明B的降解过程符合一级动力学特征。根据表征结果和活性数据分析，对可能的光催化反应机理进行研究。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 光催化基本原理

1．2 光催化活性影响因素

1．2．1 晶型结构的影响

1．2．2 粒径尺寸的影响

1．2．3 pH值的影响

1．2．4 半导体能带结构影响

1．2．5 形貌影响

1．3 可见光响应型光催化材料

1．3．1 卤化银材料

1．3．2 金属氧化物光催化材料

1．4 非金属材料

1．4．1 碳材料

1．4．2 碳氮材料

1．4．3 硼氮材料

1．5 本论文的主要研究内容

1．5．1 研究背景

1．5．2 研究内容

第二章 BN/AgBr光催化剂的制备及性能研究

2．1 仪器与方法

2．1．1 实验药品

2．1．2 仪器设备

2．1．3 光催化剂的合成

2．1．4 光催化剂活性实验

2．2 结果讨论

2．2．1 XRD分析

2．2．2 AFM、TEM和EDS分析

2．2．3 XPS分析

2．2．4 FT-IR分析

2．2．5 ICP-OES分析

2．2．6 DRS分析

2．2．7 光催化活性研究

2．2．8 稳定性的评价

2．2．9 BET分析

2．2．10 PL分析

2．2．11 光电分析

2．2．12 EIS分析

2．2．13 构效关系与光催化机理

2．3 本章小结

第三章 BN/WO3光催化剂的制备及性能研究

3．1 仪器与方法

3．1．1 实验药品

3．1．2 仪器设备

3．1．3 光催化材料的合成

3．1．4 光电化学实验

3．1．5 光催化活性实验

3．2 结果与讨论

3．2．1 XRD分析

3．2．2 TEM分析

3．2．3 XPS分析

3．2．4 FT-IR分析

3．2．5 DRS分析

3．2．6 催化剂活性分析

3．2．7 光电分析

3．2．8 EIS分析

3．2．9 构效关系分析和光催化机理

3．3 本章小结

第四章 BN/MoO3光催化剂的制备及性能研究

4．1 仪器与方法

4．1．1 实验药品

4．1．2 仪器设备

4．1．3 光催化材料的合成

4．1．4 光催化剂活性测试

4．2 结果与讨论

4．2．1 XRD分析

4．2．2 SEM分析

4．2．3 XPS分析

4．2．4 FT-IR分析

4．2．5 DRS分析

4．2．6 光催化性能研究

4．2．7 光电性质分析

4．2．8 光催化机理分析

4．3 本章小结

第五章 结论

参考文献

攻读硕士期间发表论文

致谢