新型Bi2O3-BiPO4和Bi2O3-BiOI异质结光催化剂的制备及性能研究

摘要

自光催化技术在面对日益加剧的能源和环境问题上表现出极大的发展前景以来，研制新型可见光响应型光催化剂已成为目前亟需解决的关键性难题之一。
　　采用电沉积法制备了p-n型Bi2O3-BiPO4异质结可见光催化材料，表面谱学结果表明，Bi2O3与BiPO4两种物质很好地结合到了一起，并且显著地改变了原有光催化薄膜的表面形貌，增大了薄膜的比表面积。光电性能测试结果表明:通过构建p-n型异质结构，大幅度地提高了光催化薄膜的光电催化活性及光催化稳定性。p-n型Bi2O3-BiPO4异质结有效地抑制了光生电子-空穴复合，提高了电子-空穴的转移和分离效率，从而提高了其光电催化活性。探讨了p-n型Bi2O3-BiPO4异质结光电催化活性提高的机理。
　　以苯酚为目标污染物，研究了p-n型Bi2O3-BiPO4异质结可见光电催化对苯酚模拟废水的处理效果。结果表明，在可见光照下，Bi2O3-BiPO4薄膜降解苯酚的反应速率约为单纯Bi2O3薄膜的2倍，在酸性条件下，复合催化薄膜对苯酚的降解活性较强，当pH值为3时，达到最佳光电催化降解效果。此外，随着外加偏压的增加，苯酚的降解速率也相应提高。通过对Bi2O3-BiPO4复合薄膜进行循环降解苯酚实验发现，复合薄膜具有较好的稳定性和重复使用性。
　　通过简单的浸渍法制备成了Bi2O3-BiOI异质结薄膜，异质结构的组建大幅度地提高了光催化薄膜的光电催化活性及稳定性。表面谱学分析显示，通过浸渍后，BiOI成功地在Bi2O3薄膜表面上生成，并且显著地改变了原有光催化薄膜的表面形貌，大大增加了薄膜的比表面积。经光电性能分析，在可见光条件下和0.35 V vs.Ag/AgCl偏压下，在0.2 M NaSO4电解质溶液中，Bi2O3-BiOI复合薄膜的光电流密度是单纯Bi2O3的11倍，说明复合薄膜的光解水能力大大增强。通过交流阻抗谱分析及IPCE光电转化效率的测试，结果表明Bi2O3-BiOI异质结有效地抑制了光生电子-空穴复合，从而提高了复合光催化薄膜的光电催化活性。Bi2O3-BiOI异质结光电催化活性提高的机理:BiOI有着较小的带隙能，易被可见光激活产生空穴和电子。在BiOI被激活的同时，BiOI可吸收的高光子能量会使其价带上的电子被激发到一个更高的电势能带。重组的能带位置互相匹配，在两种半导体表面产生的光生电子和空穴就达到了高效分离的效果。高度分离的光生电子和空穴避免了复合的几率，使其各自能更好地进行氧化和还原反应。
　　分别以苯酚和Cr(VI)为目标污染物，考察了Bi2O3-BiOI复合薄膜可见光电催化氧化降解苯酚和还原Cr(VI)的实验。结果表明Bi2O3-BiOI薄膜降解苯酚及还原Cr(VI)的反应速率均高于单纯Bi2O3薄膜，光电协同作用显著大于单纯光催化和电催化降解效率。此外，通过对Bi2O3-BiOI复合薄膜分别进行循环降解苯酚和还原Cr(VI)实验，发现经过4次循环实验后，复合薄膜仍具有较好的稳定性和重复使用性。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 难降解废水概述

1．2．1 含酚废水

1．2．2 含Cr(Ⅵ)废水

1．3 高级氧化技术

1．3．1 Fenton氧化法

1．3．2 电化学法

1．3．3 光催化技术

1．3．4 光电催化技术

1．4 光催化材料的研究现状

1．4．1 铋氧化物光催化剂

1．4．2 卤氧化铋光催化剂

1．4．3 其他含铋光催化剂

1．5 论文研究目的、意义及内容

1．5．1 研究目的及意义

1．5．2 研究内容

第二章 可见光响应型Bi2O3-BiPO4异质结光催化薄膜电极的制备及表征

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂与仪器

2．2．2 光催化薄膜的制备

2．2．3 光催化薄膜的表征

2．2．4 光电化学性能研究

2．3 薄膜的表征结果分析

2．3．1 XRD分析结果

2．3．2 UV-Vis分析结果

2．3．3 SEM分析结果

2．4 光电化学性能研究

2．4．1 线性扫描伏安曲线分析结果

2．4．2 稳定性分析结果

2．4．3 交流阻抗谱分析结果

2．4．4 IPCE分析结果

2．4．5 机理分析

2．5 本章小结

第三章 Bi2O3-BiPO4异质结薄膜光电催化降解苯酚废水性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂与仪器

3．2．2 实验方法与分析方法

3．3 Bi2O3-BiPO4可见光电催化降解苯酚性能研究

3．4 Bi2O3-BiPO4薄膜光电催化降解苯酚的因素研究

3．4．1 溶液pH值对催化性能的影响

3．4．2 外加偏压对催化性能的影响

3．5 Bi2O3-BiPO4光催化薄膜的稳定性

3．6 Bi2O3-BiPO4光电催化降解苯酚机理讨论

3．7 本章小结

第四章 Bi2O3-BiOI异质结光催化薄膜电极的制备及表征

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂与仪器

4．2．2 光催化薄膜的制备

4．2．3 光催化薄膜的表征

4．2．4 光电化学性能研究

4．3 薄膜的表征结果分析

4．3．1 XRD分析结果

4．3．2 UV-Vis分析结果

4．3．3 SEM分析结果

4．4 光电化学性能研究

4．4．1 线性扫描伏安曲线分析结果

4．4．2 交流阻抗谱分析结果

4．4．3 IPCE分析结果

4．4．4 机理分析

4．5 本章小结

第五章 Bi2O3-BiOI异质结薄膜光电催化降解苯酚及还原Cr(Ⅵ)研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 实验试剂与仪器

5．2．2 实验方法与分析方法

5．3 Bi2O3-BiOI可见光电催化降解苯酚性能研究

5．4 Bi2O3-BiOI可见光电催化还原Cr(Ⅵ)性能研究

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 存在的不足与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表和交流的论文及其它成果

致谢

声明