钙钛矿型铌/钛酸盐复合光催化剂的制备、性能及机理研究

摘要

随着能源危机和水污染问题的日益严重，如何低能耗地对各种污染物进行无害化处理是环境治理的关键。近年来，以半导体材料作为光催化剂将太阳能转化为化学能降解水体中有机污染物受到人们的日益重视。在众多的半导体材料中，钙钛矿型复合氧化物以其结构稳定、来源丰富、光活性高等渐受青睐。但是，大多数的钙钛矿光催化材料具有宽禁带，仅对紫外光响应强和几乎不吸收可见光的缺点，造成光生载流子的有效分离低，阻碍了该类材料的发展。本文以铌酸钠(NaNbO3)和钛酸镧(La2Ti2O7)两种钙钛矿材料为基体针对上述问题进行了较为系统的研究。在上述两种钙钛矿材料的表面通过原位法分别复合其它半导体纳米颗粒制备复合光催化剂，通过调节微观结构进而控制其宏观光催化性能，并分析了可见光下光生电子-空穴对的分离机制和提出了协同光催化机理，有主要研究内容如下： (1)以五氧化二铌(Nb2O5)为铌源、氢氧化钠(NaOH)为钠源通过一步水热法制得NaNbO3立方块，采用原位复合法制备了Ag2SO3/NaNbO3复合光催化材料。利用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、X射线光电子能谱(XPS)等测试手段对Ag2SO3/NaNbO3复合材料的结构、形貌和光学性能进行了表征，重点研究了NaNbO3的添加量对复合材料光催化活性和稳定性的影响，并探讨了降解过程中的主要活性种以及催化降解机理。样品的光催化活性通过在可见光下降解罗丹明B(RhB)和甲基橙(MO)溶液来评估。实验结果表明：随着NaNbO3添加量的增加，复合光催化材料降解效率先增大后减小。当Ag2SO3与NaNbO3的摩尔比为1∶0.7时，禁带宽度由3.15eV减小为3.04eV，光催化材料降解效果最优，对于RhB溶液在30min内降解效率达96.4%，对于MO溶液在60min时其降解效率最大值为97.1%且比纯样的降解效果明显好。此外，在光催化降解过程中，空穴(h+)起主要作用，超氧自由基(·O2-)和羟基自由基(·OH)起辅助作用。 (2)以硫酸钛(Ti(SO4)2)为钛源、硝酸镧(La(NO3)3)为镧源，采用一步水热法探究不同的工艺参数制得前驱体二维La2Ti2O7(2D-LTO)；以此为基础，利用原位复合法制备了AgI/2D-LTO复合光催化材料。通过XRD、FE-SEM、UV-Vis DRS、EIS、XPS等手段对AgI、2D-LTO以及AgI/2D-LTO复合材料的结构、形貌和光学性能进行了表征，较为详细地讨论了降解RhB过程中的主要活性种以及光催化降解机理。研究结果表明：2D-LTO经过负载AgI纳米颗粒后，光响应范围明显得到拓宽。两种材料的成分组成明显影响复合材料光催化性能，且随着2D-LTO用量的增加光催化降解效率呈现先升高后降低的趋势；当2D-LTO用量为10%时，复合材料的禁带宽度由2D-LTO纯样的3.36eV减小至2.53eV，光生载流子的复合得到明显抑制，光催化效果最好，在60min内达到93.1%，比纯样2D-LTO高44.3倍；另外，超氧自由基(·O2-)为催化降解过程中的主要活性物质。

目录

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2半导体光催化概论

1.2.1半导体光催化材料的研究进展

1.2.2半导体光催化原理及基本过程

1.2.3半导体光催化材料的主要应用领域

1.3 提高半导体光催化性能的方法进展

1.3.1半导体光催化剂存在的问题

1.3.2提高半导体光催化剂催化活性的可行途径

1.4 钙钛矿半导体光催化材料的研究进展

1.4.1 钙钛矿型复合氧化物光催化材料

1.4.2 典型钙钛矿半导体光催化材料

1.5银基半导体光催化材料的研究进展

1.5.1卤化银及其复合光催化材料

1.5.2银基非金属及其复合光催化材料

1.6 本课题的主要研究内容和创新点

1.6.1 本课题的主要研究内容

1.6.2 本课题的创新点

第二章 实验部分

2.1 实验药品

2.2 实验仪器

2.3.3 场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)及X射线能谱(EDS)

2.3.4 紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)

2.3.5 电化学阻抗谱(EIS)

2.3.6 莫特-肖特曲线(MS)

2.3.7 X-光电子能谱(XPS)

2.4.1 光源

2.4.2 实验装置

2.4.3 实验方法

2.4.4 光催化性能评价方法

第三章 亚硫酸银-铌酸钠复合材料的制备及光催化性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 铌酸钠的制备

3.2.2亚硫酸银-铌酸钠复合光催化材料的制备

3.3 结果与讨论

3.3.1晶体结构

3.3.2 形貌分析

3.3.3紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)分析

3.3.4电化学阻抗谱(EIS)

3.3.5 X-光电子能谱(XPS)

3.3.6 光催化性能分析

3.3.7 光催化反应机理探索

3.4 本章小结

第四章 碘化银-钛酸镧复合材料的制备及光催化性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 钛酸镧的制备

4.2.2 碘化银-钛酸镧复合材料的制备

4.3 结果与讨论

4.3.1 晶体结构

4.3.2 形貌分析

4.3.3 紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)分析

4.3.4电化学阻抗谱(EIS)

4.3.5莫特-肖特曲线(MS)

4.3.6 X-光电子能谱(XPS)

4.3.7 光催化性能分析

4.3.8 光催化反应机理探索

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢