金属铁酸盐改性复合材料的制备、表征及其光催化性能研究

摘要

光催化是一种有效的环境污染控制技术，近年来受到科研工作者的广泛关注。其中，TiO2更以其催化活性高、稳定性好、价格低廉、对人体无害等优点而备受青睐，成为广受关注的一种半导体光催化剂。然而在TiO2半导体光催化剂的应用中存在着两个致命的缺点:一是量子效率低，即光生电子-空穴对复合过快;另一方面由于TiO2的禁带宽度较大，仅能利用紫外光部分(锐钛矿相带隙能为3.2eV,金红石相带隙能为3.0eV)，从而导致其不能有效地利用可见光部分，这些因素都限制了半导体光催化技术的发展。为了解决以上不足，人们开始想方设法提高光催化剂的活性，常用的改性方法如金属、非金属离子掺杂，引入氧空位缺陷以及半导体复合等。此外，寻找能够充分利用太阳光的新型高效光催化剂也具有重要的意义。
　　 尖晶石型金属铁酸盐半导体材料由于其具有较小的能带宽度以及耐光腐蚀性能，被认为是一种极具应用潜力的太阳能光电转换材料。另外，Ag3VO4以其独特的能带结构，被广泛用于可见光下光催化分解水以及光催化降解污染物。
　　 本文主要介绍了不同复合半导体光催化剂(MgFe2O4/TiO2、MgFe2O4/Ag3VO4和ZnFe2O4/Ag3VO4)的制备方法，并对其进行表征和光催化活性的研究。
　　 1、利用简单的研磨-焙烧法成功地制备了一系列MgFe2O4/TiO2复合光催化剂，并对其光催化降解罗丹明B(RhB)溶液性能进行考察。结果表明，制备的复合光催化材料较单一的半导体光催化材料活性均有提高。在紫外光以及可见光(λ≥420nm)照射下，MgFe2O4的最佳掺杂量分别为2wt.％和3wt.％。同时，焙烧温度对光催化活性的影响也做了相应的研究。结果表明，复合光催化材料的最佳焙烧温度为773K，并通过XRD、UV-Vis、BET、SEM、TEM等测试方法对制备的系列光催化剂进行表征。最后，提出了复合光催化剂性能提高的可能机理:由于MgFe2O4和TiO2的能带位置能够很好的进行匹配，光激发后产生的光生电子和空穴能够在电势差的驱动下进行迁移，分别注入到TiO2的导带和MgFe2O4的价带，最终电子-空穴对能够得到有效的分离，这种协同耦合作用使得复合光催化剂的光催化性能得到了显著增强。
　　 2、由制得的粒径约50nm的单斜晶型Ag3VO4和约500nm的尖晶石型ZnFe2O4通过混合焙烧得到了异质结型复合光催化剂ZnFe2O4/Ag3VO4，并通过XRD，UV-vis，SEM等方法进行表征。制得的ZnFe2O4/Ag3VO4在可见光下(λ=420nm)光催化降解罗丹明B(RhB)的活性有了明显提高。可能的机理是能带匹配的ZnYe2O4和Ag3VO4之间的协同耦合作用有助于光生电子和空穴的分离。此外，还研究了光催化反应中可能含有的活性氧化物种，及溶解氧和溶液的pH值对催化剂光催化活性的影响。
　　 3、利用简单的混合研磨-焙烧法成功地制备出MgFe2O4/Ag3VO4催化剂，在可见光(λ≥420nm)下降解罗丹明B为目标反应考察样品的光催化活性，并对光催化剂进行各种表征。实验结果表明，MgFe2O4的掺杂量及焙烧温度对复合催化剂的光催化活性有较大影响，当MgFe2O4的掺杂量为0.2wt.％，焙烧温度为573K时，MgFe2O4/Ag3VO4的光催化活性最佳，在可见光下30min内罗丹明B完全降解。基于XRD、SEM、UV-Vis等表征结果，我们认为MgFe2O4与Ag3VO4之间存在偶合效应，由于这两者具有合适的能带电势MgFe2O4导带上的光生电子能迁移至Ag3VO4的导带中，而Ag3VO4价带上的空穴能迁移至MgFe2O4的价带中，这种载流子的迁移有效的促进了光生电子空穴对的分离，从而促进了光催化性能的提高。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 半导体光催化技术简介

1．2．1 半导体光催化的基本原理

1．2．2 传统半导体光催化的优势与不足

1．2．3 提高光催化剂活性的方法和途径

1．3 尖晶石型金属铁酸盐光催化剂的研究进展

1．3．1 尖晶石型金属铁酸盐的结构特征

1．3．2 尖晶石型金属铁酸盐的制备

1．3．3 尖晶石型金属铁酸盐的应用

1．4 钒酸银基可见光催化剂的研究现状

1．5 本论文的研究意义与研究思路

1．5．1 研究意义

1．5．2 研究思路

第二章 MgFe2O4/TiO2复合光催化材料的制备、表征及其性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 主要化学试剂

2．2．2 主要仪器

2．2．3 催化剂的制备

2．2．4 光催化实验装置及分析

2．3 结果与讨论

2．3．1 MgFe2O4/TiO2复合光催化剂的表征

2．3．2 MgFe2O4/TiO2复合光催化剂的性能研究

2．4 本章小结

第三章 ZnFe2O4/Ag3VO4复合光催化材料的制备、表征及其性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 主要化学试剂

3．2．2 主要仪器

3．2．3 催化剂的制备

3．2．4 光催化实验装置及分析

3．2．5 光电化学实验

3．2．6 羟基自由基捕获荧光实验

3．3 结果与讨论

3．3．1 ZnFe2O4/Ag3VO4复合光催化剂的表征

3．3．2 ZnFe2O4/Ag3VO4复合光催化剂的性能研究

3．3．3 可见光下ZnFe2O4/Ag3VO4复合光催化剂的作用机理

3．3．4 反应过程中起作用的主要氧化物种及溶解氧对催化剂活性的影响

3．4 本章小结

第四章 MgFe2O4/Ag3VO4复合光催化剂的制备、表征及其性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 主要化学试剂

4．2．2 主要仪器

4．2．3 催化剂的制备

4．2．4 光催化实验装置及分析

4．2．5 光电化学实验

4．3 结果与讨论

4．3．1 催化剂的表征

4．3．2 MgFe2O4/Ag3VO4复合光催化剂的性能研究

4．4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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