铋系光催化剂的制备及光电催化技术在去除气相氮氧化物中的应用

摘要

进入21世纪以来，全球性大气污染问题已引起了世界各国的普遍关注，有两个亟待解决的重大问题——环境污染和能源短缺。如何更好、更有效地缓解这两大问题已经成为越来越多科研工作者的新课题。水污染和空气污染已经是目前主要环境污染问题，特别是近几年来空气污染严重，使得人类的生存环境和身体健康造成重大的威胁。中国能源以煤为主，我国煤炭使用量逐年上涨，呈直线上升。氮氧化物的排放量亦逐年递增并赶超了二氧化碳的排放量。每年全世界直接排到大气里面的氮氧化物超过三千万吨，并且有不断上升趋势。氮氧化物的危害主要体现在一下方面：对人体健康产生危害；制约植物的生存和生长；破坏臭氧层；形成酸雨和酸雾；参与光化学烟雾的产生。因此治理氮氧化物十分必要。
　　本文主要是对减少空气中氮氧化物的含量做研究。半导体光催化技术因其在环境净化和能源再生方面的潜在应用而备受关注。半导体吸附剂引起科学界普遍兴趣主要原因有两方面：一是能快速的吸附某些污染物；二是能利用光催化技术把这些污染物降解，不会对环境造成二次污染。在该领域的研究中，TiO2因其光催化能力强，无毒，且简便易得，成本低廉，一直受到人们的高度关注。但由于其禁带宽度较宽，只能吸收波长较短的紫外光，太阳光的利用效率很低。钨酸铋(Bi2WO6)是一种新型的可见光响应光催化材料，其禁带宽度窄(2.7 eV)相对于TiO2的禁带宽度（3.2eV）较窄，在紫外和可见光下都具有良好的光催化活性，能有效降解大气和废水中的有机污染物，受到了研究者的广泛关注。
　　同时，钨酸铋作为具备层状结构的简单氧化物，电子和空穴的高复合率严重抑制了其光催化性能。通过协同光催化技术与电催化技术，利用外加恒定电位或恒电流迫使电子定向移动，避免电子和空穴复合，能够延长空穴的寿命，把催化剂固定在电极基底上，能够解决催化剂的分离固定问题，便于回收利用，为解决环境污染，实现高效净化电厂尾气，提供了高效的、安全的、经济的治理路径。本文的研究内容分为以下几个部分：
　　1.论文先通过水热法合成Bi2WO6模板，通过氢气还原制备了Bi@WO3新型材料，通过控制合成温度、煅烧时间，测试Bi@WO3活性；在180度水热条件下制备的前躯体，在氢气中500度煅烧2h催化氧化NO活性最好。同时金属Bi具有plasmon效应，氧化钨纳米结构具有高浓度的氧空位可协同增强可见光催化反应，促进氧化NO。
　　2.本文用五水硝酸铋和一水钨酸钠作原料，一步水热法制备了原位上长在FTO导电玻璃上的钨酸铋复合纳米材料，并对其进行了光催化氧化 NO的性能研究。这种复合纳米材料的反应速率和催化活性均有明显提高，是因为通过外加恒电压迫使电子定向移动，降低了电子和空穴复合率，进而提高了其可见光活性。同时，将催化剂固定在基地上有效地解决了粉体催化剂分离固定问题，有利于重复循环利用。
　　3.实验表明，所制得的ZnxCuS-GO/C60光催化材料具有很好的光解水产氢的能力，GO有效地提高电子的迁移效率，C60的加入能够提高材料的稳定性，以及表面电子富集效率。有效的提高光催化活性。

目录

第1章绪论

1.1课题研究背景

1.2 光/光电催化技术

1.3选题意义及研究内容

第2章实验部分

2.1实验原料和设备

2.2 主要表征手段

2.3光催化氧化NOx活性测试

2.4光解水制氢活性测试

第3章金属铋与氧化钨复合的新型光催化材料

3.1引言

3.2催化剂的制备

3.3催化剂的结构表征

3.4 光催化活性测试

3.5本章小结

第4章FTO原位生长Bi2WO6光电催化氧化NO的研究

4.1 引言

4.2 催化剂的制备

4.3 催化剂的结构表征

4.4 光/光电催化氧化NO活性测试

4.5 材料光催化性能研究

4.6 机理分析

4.7 本章小结

第5章ZnxCuS@GO/C60光解水制氢性能的研究

5.1 引言

5.2 催化剂的制备

5.3 催化剂的结构表征

5.4光催化产氢活性分析

5.5 材料光催化性能研究

5.6 光解水制氢机理

5.7 本章小结

第6章总结与展望

6.1结论

6.2 进一步工作方向

参考文献

个人简介

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

声明