(BiO)2CO3分级微球的表面修饰及其可见光催化净化Nox的性能增强机理

摘要

NO作为主要的空气污染物之一，引起了一系列重大的大气环境污染问题，如光化学烟雾、酸雨和灰霾等。光催化技术能充分利用太阳能降解大气环境中ppb级浓度的NO。在众多的光催化剂中，(BiO)2CO3以其丰富的形貌和高光催化活性而引起了广泛的研究兴趣。但纯的(BiO)2CO3只能被紫外光激发，为了使其具有可见光催化活性，本研究采用金属和氧化石墨烯(GO)对其进行表面修饰。以柠檬酸铋和碳酸钠为前驱体，分别加入一定含量的硝酸银溶液、硫脲溶液和GO，通过一步水热法制备得到了Ag修饰(BiO)2CO3，Bi修饰(BiO)2CO3和GO修饰(BiO)2CO3样品。采用XRD，SEM，TEM，FT-IR，Raman，XPS，N2吸附-脱附等温线，UV-visDRS，PL，纳秒级荧光衰减光谱和光电流等对合成样品的微观结构和电子结构进行表征分析，并测试了其可见光催化去除NO的性能。得到如下结论:　　(1)贵金属Ag修饰(BiO)2CO3体系:水热过程中，Ag+被柠檬酸铋中的柠檬酸根离子还原成Ag单质，沉积在(BiO)2CO3微球表面。与纯(BiO)2CO3微球相比，新型Ag修饰(BiO)2CO3复合材料表现出了显著增强的可见光催化活性，这归因子Ag纳米颗粒引起的SPR效应，电子-空穴对的有效分离和载流子寿命延长的协同作用。同时评价了Ag含量对(BiO)2CO3光催化性能的影响，负载5％Ag的样品表现出最高的光催化活性。　　(2)半金属Bi修饰(BiO)2CO3体系:水热过程中，硫脲充当还原剂将Bi3+还原成金属Bi。活性测试结果表明，样品的可见光催化活性远远高于金属Bi单质和(BiO)2CO3，这归因于Bi的SPR效应，电子-空穴对的有效分离和载流子寿命延长的协同作用。Bi纳米颗粒作为助催化剂的作用与贵金属类似。Bi含量对(BiO)2CO3光催化性能具有显著影响，负载5％Bi的样品具有最好的光催化活性。同时，样品还表现出了良好的光化学稳定性和节能性。半金属作为替代贵金属的廉价助催化剂展现出巨大的潜力。　　(3) GO修饰(BiO)2CO3体系:(BiO)2CO3微球分散在GO薄膜上，形成了新颖的3D分级结构。这种特殊的结构具有增强的可见光催化活性，远高于纯(BiO)2CO3。其优异的活性可归因于3D分级结构与GO的耦合。一方面(BiO)2CO3微球特殊的3D分层结构，既能产生多重光的散射和反射效应，增加对可见光的捕获，也能促进光催化过程中反应物和中间产物的快速转移和运输，为催化剂提供更多的活性位点;另一方面GO自身优越的电子迁移能力，能够将(BiO)2CO3的导带电子迅速转移和运输，从而促进(BiO)2CO3上电子-空穴对的有效分离。　　本研究为铋系光催化剂的制备、改性及光催化机理认识提供了新的思路，也为铋系光催化剂走向实际应用奠定了技术基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 前言

1．2 光催化技术原理

1．3 可见光催化剂的研究进展

1．3．1 传统光催化剂

1．3．2 贵金属沉积光催化剂

1．3．3 半导体复合光催化剂

1．3．4 离子掺杂光催化剂

1．3．5 光敏化光催化剂

1．4 铋系光催化剂的研究进展

1．4．1 碳酸氧铋复合光催化剂

1．4．2 碳酸氧铋掺杂光催化剂

1．4．3 碳酸氧铋形貌调控

1．5 选题依据及主要研究内容

第2章 实验部分

2．1 实验试剂和仪器

2．1．1 实验试剂

2．1．2 实验仪器

2．2 光催化剂表征测试

2．3 光催化活性评价

第3章 等离子体Ag修饰(BiO)2CO3微球及其可见光催化性能增强机制

3．1 引言

3．2 催化剂的制备

3．3 结果与讨论

3．3．1 相结构分析

3．3．2 形貌结构分析

3．3．3 比表面积与孔结构分析

3．3．4 化学形态分析

3．3．5 光学性质

3．3．6 光催化性能评价

3．3．7 光催化活性增强机制

3．4 本章小结

第4章 等离子体Bi修饰(BiO)2CO3微球及其可见光催化性能增强机制

4．1 引言

4．2 催化剂的制备

4．3 结果与讨论

4．3．1 相结构分析

4．3．2 形貌结构分析

4．3．3 化学形态分析

4．3．4 光学性质

4．3．5 光催化性能评价

4．3．6 光催化活性增强机制

4．4 本章小结

第5章 GO包裹(BiO)2CO3微球的原位合成及可见光催化性能增强机制

5．1 引言

5．2 催化剂的制备

5．3 结果与讨论

5．3．1 相结构分析

5．3．2 形貌结构分析

5．3．3 化学形态分析

5．3．4 比表面积与孔结构分析

5．3．5 光学性质

5．3．6 光催化性能评价及活性增强机制

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间科研成果、参与课题及获奖情况