半导体光催化剂Bi2Fe4O9的软化学合成与可见光催化性质表征

摘要

目前各种各样的环境问题日益突出，为了保护生态平衡、实现可持续发展，节约能源和控制环境污染已经成为亟待解决的重大问题。人们发现利用高级氧化物技术，依靠制备出新型的可见光催化剂或者利用Fenton和Fenton-like反应，都能够有效地对有机污染物进行降解，在环保领域有着良好的应用前景，因此成为现在科研的热门方向。
　　本文主要研究了以软化学的方式制备半导体光触媒Bi2Fe4O9及其在可见光下的催化性能，以及通过形成可见光激发与类芬顿试剂协同作用的Photo-Fenton-like体系来降解RhB等有机染料污染物溶液，主要内容有:
　　1、采用水热法(Hydrothermal method)，以Bi(NO3)3·5H2O和Fe(NO3)3·9H2O为原料，在不同矿化剂及不同浓度，不同水热反应温度，不同Bi3+∶Fe3+比例下反应12h合成纯相的Bi2Fe4O9。通过XRD，SEM，UV-vis等手段对样品的晶型、形貌和光学特征进行了对比研究。结果表明在氢氧化钾溶液中，难以生成纯相。矿化剂为NaOH溶液时，浓度需要达到10mol/L，温度需在130℃以上才能生成Bi2Fe4O9。所得的催化剂对强酸性的污染物溶液的降解效果好。同时对水热生成Bi2Fe4O9沉淀-再结晶机理进行了解释。在添加H2O2形成的Photo-Fenton-like系统中，产物的催化降解能力显著提升。添加不同的表面活性剂对产物的形貌和性能均有一定影响。
　　2、采用溶胶凝胶法(Sol-gel method)，分别以水和乙二醇为溶剂，添加不同的表面活性剂制备得纯相Bi2Fe4O9纳米粉体。结果表明，溶胶-凝胶过程中，溶剂的成分、煅烧温度及不同表面活性剂都对产物的结构、形貌和光学特性产生影响。水相体系下，添加柠檬酸作为螯合剂，在700℃下干凝胶煅烧3h可得纯相。而在乙二醇为溶剂时，可直接快速升温至700℃烧结，制得纯相的样品。在制备过程中加入CTAB和SDBS表面活性剂对其催化降解性能有所增强，形成的Photo-Fenton-like体系在3h内对以罗丹明B作为目标污染物的溶液的降解率最高可达到97％以上。
　　3、采用共沉淀法(Coprecipitation method)，分别以氨水、KOH溶液为沉淀剂，制备相应样品。实验发现，以氨水为沉淀剂反向沉淀时，干燥沉淀700℃煅烧2h后，能够得到形貌均匀的200hm左右的纳米颗粒，在Photo-Fenton-like体系下，在3h以内对目标污染液降解80％以上。而以KOH作为沉淀剂较低温度煅烧下得到的是BiFeO3，随着煅烧温度升高则易得到Bi25FeO40，并简单那研究了这两种常见铁酸铋粉体的光催化性能。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 高级氧化技术

1．1．1 光催化氧化技术

1．1．2 半导体光催化剂的改性

1．1．3 类Fenton试剂催化氧化

1．2 纳米材料的软化学制备方法

1．2．1 水热／溶剂热法

1．2．2 溶胶-凝胶法

1．2．3 沉淀法

1．2．4 微乳液法

1．2．5 电化学沉积法

1．2．6 自组装技术

1．3 半导体纳米材料常用表征手段

1．3．1 X射线衍射分析(XRD)

1．3．2 扫描电子显微分析(SEM)

1．3．3 透射电子显微分析(TEM)

1．3．4 X射线光电子能谱分析(XPS)

1．3．5 热分析技术(DSC／TG)

1．3．6 紫外-可见吸收光谱分析(UV-vis)

1．4 铁酸铋材料的研究和制备现状

1．5 选题意义

2 低温无模板水热法制备Bi2Fe4O9粉体及其性能

2．1 引言

2．1．1 固相法

2．1．2 熔盐法

2．1．3 水热法

2．1．4 溶胶-凝胶法

2．2 Bi2Fe4O9低温无模板水热合成与表征

2．2．1 实验试剂与设备

2．2．2 样品制备

2．2．3 检测与表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 矿化剂种类和浓度的选取

2．3．2 金属离子比例对产物结构与形貌和性能的影响

2．3．3 不同水热反应温度的影响

2．3．4 不同表面活性剂对产物的影响

2．4 本章小结

3 溶胶-凝胶快速烧结法制备Bi2Fe4O9纳米颗粒及其性能

3．1 引言

3．2 溶胶-凝胶法制备Bi2Fe4O9纳米颗粒

3．2．1 实验试剂

3．2．2 样品制备

3．2．3 检测与表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 水相体系溶胶凝胶法

3．3．2 醇相体系溶胶凝胶法

3．4 本章小结

4 共沉淀法合成Bi2Fe4O9纳米粉体及其性能

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂

4．2．2 样品制备

4．2．3 检测与表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 以氨水为沉淀剂时不同煅烧温度和时间对产物的影响

4．3．2 以KOH为沉淀剂时反应不同煅烧温度对产物的影响

4．4 本章小结

5 结论与工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文情况