卤化氧铋基复合光催化材料的制备及其降解环境污染物研究

摘要

光催化技术是一种绿色高级氧化技术,在环境污染治理领域和能源开发方面有着广泛的研究和应用。提高可见光利用效率和开发高效、高稳定性能的光催化材料已经成为光催化领域研究的热点问题。寻找合适的方法来提高光催化材料中光生电子和空穴的分离效率是获得高效光催化剂的关键。本文围绕卤化氧铋基复合光催化材料的制备及其在可见条件下光催化降解环境污染物这一研究中心,对卤化氧铋基体光催化材料进行修饰改性,旨在提高光生载流子的分离效率,从而增强光催化材料的可见光催化活性。并通过多种表征手段对材料的组成、结构进行分析,研究杂化材料光催化性能的变化规律。重点研究修饰改性材料的引入对基体微区结构影响规律及其光催化效率变化的原因。并对杂化材料的光催化机理进行分析研究。本文具体的研究内容和取得的研究成果主要体现在以下几个方面:
　　 1.以溴化1-十六烷基-3-甲基咪唑反应型离子液体为反应源,分别在乙二醇和乙醇体系中,采用溶剂热制备g-C3N4/BiOBr复合杂化光催化材料。通过XRD、SEM、TEM、EDS、BET、DRS等方法对复合材料进行微观结构的表征分析。研究结果表明,反应型离子液体不仅起到溶剂和模板的作用,还作为溴源参与BiOBr球状和花状结构材料的合成,离子液体对复合材料三维结构的形成起到重要的调控作用。固体紫外漫反射的研究结果表明g-C3N4/BiOBr复合材料在紫外可见光区的吸收比BiOBr单体材料强,具有更窄的禁带宽度。可见光照射条件下g-C3N4/BiOBr复合材料光催化降解罗丹明B性能研究发现,不同质量含量g-C3N4的复合材料具有不同光催化活性,在乙二醇体系中合成的质量比为1％g-C3N4/BiOBr复合材料具有最高的光催化活性,可见光照射150min,罗丹明B(RHB)基本被完全降解降解。而在乙醇体系中制备得到的质量比为3%的g-C3N4/BiOBr复合材料具有最高的光催化活性,g-C3N4/BiOBr复合材料的可见光光催化活性远优于单体BiOBr的性能。自由基捕获实验结果显示,复合材料降解污染物的过程是以空穴氧化为主。研究表明,g-C3N4/BiOBr复合材料的高活性主要归因于g-C3N4和BiOBr之间的相互协同作用(由此产生的窄禁带宽度、较小的粒径及强光吸收等)。G-C3N4的存在使得复合材料具有更好的电子和空穴的分离能力。
　　 2.还通过氯化1-十六烷基-3-甲基咪唑反应型离子液体,运用溶剂热法制备得到g-C3N4/BiOCl杂化材料。通过XRD、SEM、TEM、EDS、BET、DRS等方法对杂化材料进行表征分析。研究结果表明,在复合材料制备过程中,反应型离子液体不仅起溶剂、反应源和模板剂的作用,同时对复合材料中BiOCl层状结构的形成有关键作用。光催化实验研究显示,可见光照射条件下g-C3N4/BiOCl杂化材料对罗丹明B有较好的光催化活性,而甲基橙(MO)光催化降解效果较差,表明合成的光催化材料具有选择性。质量比为1%g-C3N4/BiOCl杂化材料具有最高的光催化活性,可见光照射90min,RhB基本被降解。G-C3N4的引入,可增强杂化材料的光吸收范围,提高其比表面积,有利于光生载流子的分离,从而能够明显提升光催化性能。
　　 3.以反应型金属基离子液体[Omim]FeCl4为前驱体,在乙二醇体系中采用一步法原位合成Fe/BiOCl微球光催化材料。运用XRD、XPS、DRS、SEM-EDS、BET等表征手段对材料进行表征。XPS分析说明,光催化剂中Fe以Fe3+形式存在于光催化剂材料中,Fe/BiOCl材料比表面积达到64.3m2/g。在H2O2作用下,25分钟后Fe/BiOCl微球光催化材料光催化降解RhB和MB降解率分别达到73%和97%,Fe/BiOCl微球光催化材料的光催化降解能力明显高于单体BiOCl微球材料。表明Fe的引入明显有助于RhB降解率的提升,Fe的存在可能会和H2O2在光照条件下形成光芬顿反应。
　　 4.以反应型离子液体[C16mim]Br为反应源,在乙二醇体系中合成Pt/BiOBr微球状光催化材料。通过XRD、SEM、TEM、EDS、BET、DRS等方法对复合材料进行微观结构的表征分析。研究结果表明,反应型离子液体起到溶剂、模板剂作用,同时对Pt/BiOBr材料微球状结构的形成起到调控作用。乙二醇不但作为溶剂存在于反应中,同时在反应中起还原剂,将氯铂酸还原为金属Pt纳米粒子。高分辨透射电镜显示组装成微球的片中,晶面的晶格间距为0.132nm,对应于Pt晶体的[220]晶面,表明金属Pt较好的分散于BiOCl微球表面。光催化降解罗丹明B的研究表明,在可见光照射下掺杂量为0.5%的。Pt/BiOBr材料具有最好的光催化活性。其原因是掺杂的金属Pt具有良好的电子捕获功能,能及时的将跃迁进入导带光生电子与空穴分离,抑制光生电子与空穴复合,因此,有助于光催化降解反应的进行。
　　 5.还通过氯化1-辛基-3-甲基咪唑反应型离子液体MWCNT/BiOCl复合光催化材料。通过XRD、SEM、TEM、EDS、BET、DRS等方法对复合材料进行微观结构的表征分析。SEM显示,球状结构MWCNT/BiOCl材料是由不规则:BiOCl纳米片自组装生成,组成微球的纳米片表面有大量MWCNT均匀分散附着在。BiOCl片的表面。TEM分析显示,MWCNT附着、嵌入和交织在组成BiOCl的纳米片上。这种结构促进了MWCNT/BiOCl材料的电子传导和迁移的能力,促进了光催化效率的提高。实验证明,在掺杂量为0.1%MWCNT/BiOCl光催化剂作用下,30minRhB降解率82%,60min几乎降解完全。