可见光催化剂BiOBr在模拟染料废水处理中的应用研究

摘要

染料废水化学成分复杂、色度高、难生化降解，对水环境和人类健康造成严重威胁。因此，寻找一种经济、高效的染料废水处理技术，成为人们亟待解决的问题。可见光催化技术具有能耗低、催化反应速度快、无毒、无选择性以及对反应物催化降解完全等特点，近年来受到国内外研究者的广泛关注。
　　溴氧化铋(BiOBr)是一种新型半导体催化剂，具有开放式晶体结构和间接跃迁模式，有利于光生电子和空穴的分离，是一种十分具有应用前景的可见光催化剂。BiOBr的制备方法较多，其中水热法因其简单、可控合成等特性被广泛研究。目前，水热法多以有机化合物为原料，且催化活性不够理想。因此，探究一种简单原料制备的高活性BiOBr催化剂是一个重要课题。此外，单一的BiOBr催化剂存在光生载流子复合效率高的问题，通过半导体复合改性技术促进光生载流子的分离，提高光催化性能，对于推动其应用具有重要意义。
　　本文利用Bi(NO3)3·5H2O、NaBr和稀HNO3等无机原料水热制备出高活性的BiOBr催化剂，并与另一种已报道的有机原料制备的BiOBr催化剂进行对比，完成催化剂的优选。以罗丹明B为目标污染物，考察了催化剂的可见光催化活性，研究了催化剂的稳定性，探讨光催化反应过程中的活性物种及机理。此外，采用半导体复合改性技术，制备不同质量比的C3N4/BiOBr和BiOI/BiOBr复合催化剂，研究了复合催化剂的光催化性能，并对其光催化机理进行探究。主要研究结论如下：
　　1、BiOBr光催化剂的制备及性能研究。利用Bi(NO3)3·5H2O、NaBr和稀HNO3等无机原料水热制备了BiOBr催化剂。罗丹明B降解实验结果表明，制备出的BiOBr催化活性远高于对照组，反应速率提高170％。这主要归因于其独特的花状片层结构、较小的颗粒尺寸和较大的比表面积。BiOBr催化剂在重复使用多次后，仍保持较高的催化活性。自由基捕获实验和电子自旋共振(ESR)测定结果表明，BiOBr催化降解罗丹明B反应过程中的主要活性物种是h+和·O2-。
　　2、C3N4/BiOBr复合光催化剂的制备及性能研究。光致发光光谱(PL)和瞬态光电流测试结果表明，C3N4/BiOBr的荧光发射峰强度比BiOBr弱，光电流比BiOBr大，说明其光生载流子复合率较低。罗丹明B降解实验结果表明，15wt％C3N4/BiOBr光催化活性最优，与BiOBr相比，反应速率提高180％，降解时间缩短60％。因此，C3N4对BiOBr的复合改性，能有效降低BiOBr光生载流子复合率，显著提高其光催化活性。这归因于:C3N4和BiOBr之间形成异质结，电子从C3N4的导带(-1.12eV)迁移至BiOBr的导带(0.31eV)，空穴从BiOBr的价带(3.06eV)迁移至C3N4(1.59eV)的价带，有效地抑制电子和空穴的复合。
　　3、BiOI/BiOBr复合光催化剂的制备及性能研究。光致发光光谱(PL)和瞬态光电流测试结果表明，BiOI/BiOBr的荧光发射峰强度比BiOBr弱，光电流比BiOBr大，说明其光生载流子复合率较低。罗丹明B降解实验结果表明，8wt％BiOI/BiOBr光催化活性最优，与BiOBr相比，反应速率提高91％，降解时间缩短53％。因此，BiOI对BiOBr的复合改性，能有效降低BiOBr光生载流子复合率，显著提高其光催化活性。这归因子:BiOI和BiOBr之间形成异质结，在可见光条件下（λ=420nm），BiOI和BiOBr均被激发，其价带上的电子跃迁到更高的导带位置。随后电子从BiOI的导带(-0.64eV)迁移至BiOBr的导带(0.11eV)，空穴从BiOBr的价带(3.06eV)迁移至BiOI的价带(2.31eV)，有效地抑制电子和空穴的复合。

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摘要

第一章 绪论

1．1 染料废水概述

1．1．1 染料废水危害

1．1．2 染料废水处理技术简介

1．2 半导体光催化作用原理

1．3 铋系光催化剂研究进展

1．3．1 氧化铋

1．3．2 钼酸铋

1．3．3 钨酸铋

1．3．4 钒酸铋

1．3．5 钛酸铋

1．3．6 卤氧化铋

1．4 溴氧化铋(BiOBr)光催化剂研究进展

1．4．1 BiOBr的结构特性

1．4．2 BiOBr的制备方法

1．4．3 BiOBr的改性技术

1．5 研究目标及内容

1．5．1 研究目标

1．5．2 研究内容

第二章 材料与方法

2．1 实验试剂与仪器

2．1．1 实验试剂

2．1．2 实验仪器

2．2 表征方法

2．2．1 X射线衍射(XRD)

2．2．2 傅立叶交换红外光谱(FT-IR)

2．2．3 扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱(EDS)

2．2．4 比表面积(BET)和孔径分布

2．2．5 紫外-可见漫反射(DRS)

2．2．6 光致发光光谱(PL)

2．2．7 瞬态光电流测试(i-t)

2．2．8 电子自旋共振(ESR)

2．3 光催化性能研究及反应装置

第三章 BiOBr光催化剂的制备及性能研究

3．1 引言

3．2 BiOBr催化剂的优选

3．2．1 催化剂制备

3．2．2 催化剂表征

3．2．3 可见光催化性能研究

3．2．4 小结

3．3 BiOBr降解罗丹明B的影响因素

3．3．1 催化剂投加量的影响

3．3．2 不同溶液pH的影响

3．4 催化剂稳定性评价

3．5 机理研究

3．5．1 罗丹明B的UV-vis图谱分析

3．5．2 自由基捕获实验及电子自旋共振(ESR)测定

3．5．3 罗丹明B降解机理研究

3．6 本章小结

第四章 C3N4／BiOBr复合光催化剂的制备及性能研究

4．1 引言

4．2 催化剂的制备及表征

4．2．1 催化剂的制备

4．2．2 催化剂的表征

4．3 可见光催化性能研究

4．4 催化剂的稳定性评价

4．5 机理研究

4．5．1 自由基捕获实验及电子自旋共振(ESR)测定

4．5．2 C3N4／BiOBr光催化机理分析

4．6 本章小结

第五章 BiOI／BiOBr复合光催化剂的制备及性能研究

5．1 引言

5．2 催化剂的制备及表征

5．2．1 催化剂的制备

5．2．2 催化剂的表征

5．3 可见光催化性能研究

5．4 催化剂的稳定性评价

5．5 机理研究

5．5．1 自由基捕获实验及电子自旋共振(ESR)测定

5．5．2 BiOI／BiOBr光催化机理研究

5．6 C3N4／BiOBr和BiOI／BiOBr光催化性能对比分析

5．7 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

个人简历