具有宽光谱响应的光催化剂的制备及其去除水中有机污染物的研究

摘要

21世纪随着能源危机和环境问题的加剧，利用光催化技术来获取清洁能源以及解决环境问题越来越受到广大科研工作者的关注。设计出高效并具有宽光谱响应的绿色光催化剂是实现光催化技术应用的关键。近年来，复合型光催化剂由于种类多、功能性强、稳定性好、高氧化还原能力和较宽的光谱吸收等优点，因此在光催化领域得到了学者们的青睐。综上，本论文选取水体中的有机污染物如染料(罗丹明B、甲基橙)、抗生素(四环素)等作为降解对象，通过高温固相法、水热法和溶剂热法等方法制备出多种具有宽光谱响应的新型复合型光催化剂，然后采用了系列表征手段对其进行分析验证，最后提出了合适的光催化降解机理并进行了分析与探讨。研究内容概括如下：　　(1)利用简单的原位沉淀法将硅酸银纳米颗粒附着生长在超薄的二维石墨相氮化碳纳米片基底材料上，构建0D/2DZ型Ag6Si2O7/CN复合光催化剂。研究表明该复合光催化剂具有优良的光吸收能力，有效地拓宽了氮化碳对光的吸收，并且在全光谱光照射下对甲基橙以及罗丹明B染料展示出优异的光催化降解活性。当制备过程中加入的AgNO3的量为15mL0.1M时，制备的ACN-15复合光催化剂展示出最优的光催化降解活性，反应速率达到0.0791min-1，分别约是Ag6Si2O7和CN的24倍和9倍。另外，结合理论计算与实验研究论证，ACN-15复合光催化剂不仅可以增强光生载流子的分离和传输效率，而且还具有很强的光催化降解能力。由于形成了Z型电子转移机制，在Ag6Si2O7上激发的光电子可以转移到CN上以抑制其自身的光致腐蚀，这促使ACN-15复合光催化剂具有出色的光稳定性。　　(2)利用水热法和溶剂热法两步反应方法制备了BiOCl/W18O49复合光催化剂。借助晶面控制工程和非贵金属局部等离子体共振效应，将具有局部等离子体共振效应的W18O49纳米花生长在暴露不同晶面的BiOCl上，形成独特的2D/3D纳米片/纳米花结构。各种表征手段证明成功制备了BiOCl/W18O49复合光催化剂。通过光降解实验可以看到BiOCl-2-WO复合光催化剂在可见光下降解盐酸四环素的效率为51.4%，高于BiOCl单体的降解效率。该复合光催化剂具备LSPR效应、形成晶面异质结，还具有Z-scheme反应机制，使得其具有良好的光催化活性。另外，BiOCl-2-WO自身独特的2D/3D形貌结构促使该复合光催化剂加强了对光的吸收以及拓宽了BiOCl对光的响应范围。　　(3)利用高温固相法制备了碱金属钠掺杂的氮化碳/氧化铋复合光催化剂。实验结果表明，通过钠的掺杂可以有效的调节氮化碳的带隙。当制备过程中加入的NaOH量为0.1M时，制备的BOCN-3复合光催化剂具有最高的光催化降解四环素效率，反应速率达到0.010min-1，分别约为同等反应条件下Bi2O3和BCN的4.8倍和3.2倍。BOCN-3复合光催化剂展示出优良的光催化能力主要是因为碱金属掺杂后带隙的改变以及形成异质结促进了材料内部光生电荷的分离与运输。另外，结合三维激发-发射矩阵荧光光谱测试结果表明，四环素降解后的产物可能是类腐殖酸等物质。进一步通过液质联用仪测试发现了一系列中间产物，对降解路径进行了推断，四环素在强氧化性的·OH攻击下，逐步开环，最后被矿化成H2O和CO2。

目录

声明

第 1 章绪 论

1.1 研究背景

1.2 光催化的介绍

1.2.1 光催化技术反应原理

1.2.2 光催化系统

1.3 宽光谱响应复合光催化剂的制备

1.3.1 高温固相法

1.3.2 水热或溶剂热合成法

1.3.3 电化学合成法

1.3.4 机械化学法

1.4 宽光谱响应复合光催化剂的应用

1.4.1 光催化分解水

1.4.2 光催化还原CO2

1.4.3 光催化固氮

1.4.4 光催化降解

1.4.5 光催化杀菌

1.5 影响光催化反应效率的主要因素

1.5.1 光催化剂的形貌

1.5.2 光催化剂的晶型、晶面和缺陷

1.5.3 光催化剂的能带隙

1.5.4 光催化反应条件

1.6 光催化技术存在的问题

1.7 本文的构想

1.7.1 研究目的与意义

1.7.2 研究内容

1.7.3 技术路线

第二章 0D/2D 硅酸银/氮化碳复合光催化剂的制备及其在全光谱下降解染料的研究

2.1 前言

2.2 实验与方法

2.2.1 实验试剂与仪器

2.2.2 材料制备

2.2.3 材料表征

2.2.4 光催化测试

2.2.5 光电化学测试

2.2.6 活性物种捕获实验和稳定性实验

2.2.7 理论计算

2.3 结果与讨论

2.3.1 结构形貌表征

2.3.2 表面化学成分和基团分析

2.3.3 光学性质研究

2.3.4 材料电子结构分析

2.3.5 光生电荷传输和分离特性

2.3.6 光催化性能研究

2.3.7 反应机理分析

2.4 本章小结

第三章 2D/3D 氯氧化铋/氧化钨复合光催化剂的制备及其在可见光下降解抗生素的研究

3.1 前言

3.2 实验与方法

3.2.1 实验试剂

3.2.2 材料制备

3.2.3 材料表征

3.2.4 光催化活性测试

3.2.5 光电化学测试

3.3 结果与讨论

3.3.1 结构形貌分析

3.3.2 比表面积与表面化学态分析

3.3.3 光学性质及带隙分析

3.3.4 光生电荷传输与分离分析

3.3.5 电子结构分析

3.3.6 光催化性能分析

3.3.7 反应机理分析

3.4 本章小结

第四章钠掺杂氮化碳/氧化铋复合光催化剂的制备及其在可见光下降解抗生素的研究

4.1 前言

4.2 实验与方法

4.2.1 实验试剂

4.2.2 材料制备

4.2.3 材料表征

4.2.4 光催化测试

4.2.5 光电测试

4.3 结果与讨论

4.3.1 结构形态特征

4.3.2 光学性质分析

4.3.3 光生电荷传输与分离分析

4.3.4 光催化性能分析

4.3.5 降解产物的测定与分析

4.4 本章小结

第5 章 结论、创新点与展望

5.1 结论

5.2 创新点

5.3 展望

参考文献

附录 A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文

附录 B 攻读学位期间申请的专利

附录 C 攻读学位期间参与的研究课题

致谢