基于Bi2O3异质结光催化剂制备、表征及催化活性研究

摘要

半导体光催化技术是一种高效的高级氧化技术，由于其可以较彻底降解有机污染物，因而作为一种环境修复手段受到了国内外学者的广泛关注。为了充分利用太阳光，开发可见光响应型光催化剂目前是光催化领域的研究热点。
　　Bi2O3的禁带宽度约2.8eV，能够被可见光激发，不仅具备良好的光催化活性，而且性能稳定，但该催化剂吸收阀值仅为440nm，且受光子激发产生的电子和空穴复合几率较高，直接影响其催化活性。因此，为了进一步提高Bi2O3中光生电子和空穴的分离效率或者使 Bi2O3对光的吸收红移，本文分别选择 NaBiO3和Bi5O7I作为复合半导体对Bi2O3进行修饰改性，这两种异质结催化剂制备和性能表征的研究工作尚未见其他报道，这也正是本文的创新点所在。
　　本文在前人研究基础上首次研究了不同分子量聚乙二醇作分散剂在制备Bi2O3光催化剂中的效果，系统研究了聚乙二醇的分子量和用量、煅烧温度和时间等制备条件对Bi2O3晶体结构、形貌、光吸收性能及光催化活性的影响；分别考察了NaBiO3/Bi2O3和Bi5O7I/Bi2O3两种异质结光催化剂中NaBiO3或Bi5O7I含量对催化剂晶体结构、光吸收性能、光生电子和空穴的分离及光催化活性的影响，并分析了两种异质结光催化剂的催化机理。光催化剂的晶体结构、形貌、光吸收性能及光生电子和空穴的分离分别通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、紫外-可见漫反射光谱仪及荧光光谱仪进行表征，光催化剂的催化活性通过降解孔雀石绿验证。研究发现，聚乙二醇分子量和用量、煅烧温度和时间均对Bi2O3的形貌具有显著影响，而Bi2O3的晶体结构和光吸收能力主要受煅烧温度影响。当煅烧温度为350℃，煅烧时间为4h，制得的N掺杂β-Bi2O3光催化活性最好。经450℃煅烧4h得到的α-Bi2O3光催化活性较好，将其在碱性条件下氧化可制得NaBiO3/Bi2O3异质结光催化剂，所有 NaBiO3/Bi2O3异质结光催化剂的光吸收性能没有太大区别，但电子和空穴的分离几率随NaBiO3含量升高呈现先提高后下降趋势。5.72％NaBiO3/Bi2O3异质结光催化剂中电子和空穴的分离效率最高，催化活性最好。利用HI对α-Bi2O3进行刻蚀可制得Bi5O7I/Bi2O3异质结光催化剂，复合Bi5O7I可以使Bi2O3的吸收阀值从447nm红移至600nm以上。但如果Bi5O7I含量较少时，Bi5O7I/Bi2O3异质结光催化剂中电子和空穴的复合几率反而比纯Bi2O3还大，当Bi5O7I含量达到80.48%时，异质结光催化剂中电子和空穴的复合才有所减弱。总之，通过将Bi2O3和NaBiO3或Bi5O7I这两种含铋化合物半导体复合构成异质结光催化剂，一方面能为铋系光催化剂的研究提供一定的参考，另一方面也可以为有机污染物的降解提供一种较为有效的处理方法。

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第一章 绪论

1.1 半导体光催化简介

1.2 Bi2O3光催化机理

1.3 Bi2O3晶型结构

1.4 Bi2O3制备方法

1.5 影响Bi2O3光催化活性因素

1.6 提高Bi2O3光催化活性途径

1.7 本文研究内容

第二章 实验方案及方法

2.1 实验试剂

2.2 实验仪器及设备

2.3 光催化剂性能表征

2.4 光催化剂制备方案

2.5 光催化剂催化活性实验

第三章 Bi2O3光催化剂制备及性能研究

3.1 分散剂分子量对Bi2O3光催化剂性能的影响

3.2 分散剂用量对Bi2O3光催化剂性能的影响

3.3 煅烧温度对Bi2O3光催化剂性能的影响

3.4 煅烧时间对Bi2O3光催化剂性能的影响

3.5 光催化反应条件对N掺杂β-Bi2O3光催化活性的影响

3.6 本章小结

第四章 NaBiO3/Bi2O3异质结光催化剂制备及性能研究

4.1 煅烧温度和煅烧时间对α-Bi2O3光催化剂性能的影响

4.2 NaBiO3/Bi2O3异质结光催化剂表征及光催化活性研究

4.3 特定NaBiO3/Bi2O3光催化降解孔雀石绿影响因素研究

4.4 NaBiO3/Bi2O3异质结光催化剂的催化机理

4.5 本章小结

第五章 Bi5O7I/Bi2O3异质结光催化剂制备及性能研究

5.1 Bi5O7I/Bi2O3异质结光催化剂表征及光催化活性研究

5.2 特定Bi5O7I/Bi2O3光催化降解孔雀石绿影响因素研究

5.3 Bi5O7I/Bi2O3异质结光催化剂的催化机理

5.4 本章小结

第六章 结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢