钒酸铋和银-钒酸铋的制备、表征及可见光催化性能研究

摘要

在光催化氧化过程中，光催化材料对有机污染物起着决定性的作用，开发具有可见光响应的新型催化材料具有重要理论意义和实用价值。据此，本文研究了水热合成中pH和Ag+负载量对BiVO4制备的影响，通过降解模拟有机染料罗丹明B（RhB）来评价了其光催化性能，并通过特性表征等探讨了Ag/BiVO4光催化活性较BiVO4提高的机理。主要得到如下研究结论:
　　 1)以硝酸铋和偏钒酸铵为无机源，NaOH为pH调节剂，利用水热法成功制得多种晶型和形貌的BiVO4颗粒，并采用X射光衍射（XRD）、扫描电子显微镜(SEM)和紫外-可见光(UV-Vis)吸收光谱技术进行表征。实验结果表明水热合成中溶液pH对BiVO4的形貌和结构均有显著影响;pH为1.9时制得BiVO4样品为四方相结构(t-BiVO4)，其他均为单斜相结构(m-BiVO4)，且UV-vis分析表明m-BiVO4比t-BiVO4具有更强的可见光吸收性能;考察样品在可见光下降解RhB的催化活性，其中pH值为6.7时制得BiVO4具有最佳光解效果;对比分析不同BiVO4的结构、形貌与催化活性的关系，建立构效关系;在可见光下降解RhB过程中TOC值的减小，说明RhB在BiVO4的催化下发生了部分矿化。
　　 2)采用水热合成制备了不同Ag+含量的Ag/BiVO4复合光催化材料，并通过XRD、SEM、UV-Vis和XPS技术对其物化性质表征。制得的Ag/BiVO4为单斜相结构，结晶度较高;负载Ag后对BiVO4的晶型的影响不明显，但对BiVO4的形貌和尺寸有显著影响;UV-vis分析显示Ag/BiVO4对可见光的吸收较BiVO4显著增强，吸收带边向红外偏移;对比制得的催化剂在可见光下对RhB的催化效果，发现负载Ag后的BiVO4的活性大幅提高，其中10.0 wt％Ag/BiVO4的降解效果最佳，光照4h后降解率可达到99.7％。
　　 3)通过加入异丙醇、苯醌和乙二胺四乙酸(EDTA)三种自由基捕获剂测定对RhB降解效果的抑制作用，来考察Ag/BiVO4的降解机理，发现在Ag/BiVO4系统中，光生空穴(h+)的氧化作用对降解有机污染物的贡献最大，其次是超氧根(O2-·)。
　　 4)考察了BiVO4和Ag/BiVO4在自然环境中利用太阳能为光源的催化效果。实验结果表明，制得催化样品在非聚焦开放式反应器构型体系中能很好地利用太阳能、有效地完成对罗丹明B的降解。

目录

声明

英文缩略表

摘要

1 前言

1．1 课题研究背景及意义

1．2 印染废水处理现状

1．2．1 印染废水污染现状

1．2．2 印染废水防治措施与技术

1．3 光催化技术研究进展

1．3．1 半导体光催化的基本原理

1．3．2 光催化材料发展历程

1．4 BiVO4的研究进展

1．4．1 BiVO4的结构与性质

1．4．2 BiVO4的制备与表征方法

1．4．3 水热合成条件对BiVO4的影响

1．4．4 BiVO4的改性

1．5 研究内容

1．6 技术路线

2 材料与方法

2．1 实验试剂及仪器

2．2 催化材料制备方法

2．2．1 BiVO4的制备

2．2．2 Ag／BiVO4的制备

2．3 材料表征方法

2．4 光催化性能测试体系及评价方法

2．4．1 光源

2．4．2 实验装置

2．4．3 光解实验方法

2．4．4 光解分析方法

3 结果与讨论

3．1 pH对BiVO4的合成及性能的影响

3．1．1 X射线衍射分析

3．1．2 扫描电镜分析

3．1．3 紫外-可见漫反射光谱分析

3．1．4 pH对BiVO4样品光催化性能影响

3．2 Ag／BiVO4表征及光催化活性研究

3．2．1 X射线衍射分析

3．2．2 X射线光电子能谱分析

3．2．3 扫描电镜分析

3．2．4 紫外-可见漫反射分析

3．2．5 Ag／BiVO4样品的可见光催化活性

3．3 Ag／BiVO4光解机理探究

3．3．1 光催化机理实验方法

3．3．2 捕获剂的抑制作用

3．4 Ag／BiVO4在自然光下催化活性

3．4．1 太阳光催化实验方法

3．4．2 太阳光催化性质

4 结论与展望

4．1 主要结论

4．2 展望

5 本论文的创新点

参考文献

致谢

8 攻读学位期间发表学术论文