基于钨酸铋及其复合光催化剂的制备及催化性能研究

摘要

近些年来，现代工业发展迅速，推动着人类的进步。但是，随之而来的环境污染尤其是水污染问题也变得格外突出。为了解决这个问题，人们开发了多种方法。其中，半导体材料以其优异的光催化降解有机污染物性能受到了越来越多的关注。然而，传统的半导体材料，如二氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO)等，禁带宽度较大，导致其只在紫外光范围内产生响应，因此，它们的应用前景受到了极大的限制。近期，包括钨酸铋(Bi2WO6)在内的具有窄禁带宽度的新型光催化剂成为了研究的热点，因为这些光催化剂可以在紫外光和可见光区域同时产生响应。Bi2WO6是一种最简单的Aurivillius型氧化物，其禁带宽度约为2.7eV，可以吸收波长在450nm以内的可见光，因此，可以在可见光照射下催化降解有机污染物，有效地提高对太阳光的利用效率。
　　本论文以Bi2WO6为研究列象，首先研究了Bi2WO6的形貌调控及其影响因素，并探究了形貌对其光催化性能的影响;其次研究了外界条件（如γ射线辐射）对Bi2WO6晶体结构及其光催化性能的影响;最后通过不同的实验方法，制备出两种具有良好光催化性能的Bi2WO6复合材料，用于提高Bi2WO6的催化降解性能。本论文以Bi2WO6为研究主线，其主要研究内容和成果如下:
　　一、以Bi(NO3)3·5H2O和Na2WO4·2H2O为前驱体，聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)为稳定剂，通过简单的水热法制备出Bi2WO6晶体材料。研究发现，调节PVP的浓度和分子量可以制备出具有不同形貌的Bi2WO6。XRD和HRTEM研究结果表明，PVP的添加不会改变Bi2WO6的晶体结构，但PVP在初始形成的Bi2WO6纳米片上的分布会诱导晶体生长，随着PVP浓度的增加，Bi2WO6的形貌会有明显的变化。同时，随着PVP分子量的增加，Bi2WO6由简单的片状(S-BWO)变为花瓣状(F-BWO)、红细胞型(B-BWO)和圆柱状(SP-BWO)等不同的形貌。具有不同形貌的Bi2WO6的光催化性能，则是通过在可见光条件下降解罗丹明B(RhB)来表征。研究结果显示，S-BWO的光催化性能最好，而SP-BWO的光催化性能最差，这主要取决于它们的禁带宽度和比表面积。
　　二、以磁性四氧化三铁(Fe3O4)纳米粒子为核，在其表面生长一层介孔纤维状二氧化硅(F-SiO2)，形成核壳结构的Fe3O4@F-SiO2粒子，再以Fe3O4@F-SiO2模板，通过水热法制备出Fe3O4@Bi2WO6纳米粒子。随着介孔Bi2WO6壳层的形成，F-SiO2层因酸蚀效应而消失。因此，最终制备了具有高比表面积(127.3m2/g)的新型核-壳型介孔Fe3O4@Bi2WO6纳米粒子。可见光催化降解亚甲基蓝(MB)研究结果表明，介孔Fe3O4@Bi2WO6纳米粒子具有优异的物理吸附和可见光催化性能，对水溶液中MB的总去除率高达98％。此外，介孔Fe3O4@Bi2WO6纳米粒子可以很容易地通过磁分离而循环使用，并且在五次循环催化后仍保持较高的光催化活性。
　　三、以Bi2WO6材料为目标物质，探究γ射线对其晶体结构和光催化性能的影响。研究发现，当吸收剂量达到507kGy(5.28kGy h-1，96h)时，Bi2WO6粉末的颜色发生了转变，由淡黄色变为浅蓝色。XRD分析结果显示，随着吸收剂量的增加，Bi2WO6的(113)晶面的特征峰向高角度发生了微弱的转移，由28.37°转移至28.45°，证明了Bi2WO6晶体结构的微弱变化，而这种变化是由于Bi2WO6晶体在γ射线的作用下产生了氧空位缺陷，通过XPS分析也得到了确认。不同吸收剂量的Bi2WO6在可见光照射下降解MB结果表明，随着吸收剂量的增加，Bi2WO6的光催化活性相应增加。三次循环催化后，Bi2WO6的光催化性能仍保持在较高的水平，说明拥有氧空位的Bi2WO6具有很好的稳定性和循环催化性能。
　　四、以3，4-乙烯二氧噻吩(EDOT)为单体，Bi2WO6为基体材料，以γ射线辐射氮气饱和的水溶液产生的·OH和H2O2为引发剂，引发EDOT单体聚合，制备了Bi2WO6/PEDOT复合材料。紫外可见光谱分析结果表明，经PEDOT掺杂后，复合材料对光的吸收由450nm提升至700nm左右，这大大提高了Bi2WO6对太阳光的利用效率。光催化降解MB实验表明，PEDOT的掺杂可以有效提高Bi2WO6的光催化性能，且随着PEDOT含量的增加，其催化性能也相应提高。

目录

声明

摘要

常用缩略表

1．1 引言

1．2 光催化技术概论

1．2．1 光催化原理简介

1．2．2 光催化剂性能的影响因素

1．2．3 光催化剂的研究进展

1．3 钨酸铋概述

1．3．2 Bi2WO6的制备方法

1．3．3 Bi2WO6的研究进展

1．4 本论文的研究思路

参考文献

第2章 钨酸铋的形貌控制合成及其光催化性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 原料

2．2．3 测试与表征

2．2．4 光催化降解RhB实验

2．3 结果与讨论

2．3．1 PVP浓度和分子量对Bi2WO6形貌的影响

2．3．2 反应时间对晶体生长的影响

2．3．3 Bi2WO6形貌控制合成的形成机理

2．3．4 Bi2WO6的其他性能表征

2．3．5 Bi2WO6对RhB的光催化降解研究

2．4 结论

参考文献

第3章 具备可磁性分离的介孔Fe3O4@lBi2WO6纳米粒子的制备及其光催化性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 原料

3．2．2 Fe3O4的制备

3．2．6 Fe3O4@Bi2WO6对MB的吸附性能测定

3．2．7 Fe3O4@Bi2WO6对MB的光催化降解性能测定

3．3 结果与讨论

3．3．1 Fe3O4@Bi2WO6纳米粒子的制备及形貌表征

3．3．2 Fe3O4@Bi2WO6纳米粒子的其他性能表征

3．3．3 Fe3O4@Bi2WO6纳米粒子的吸附行为和光催化性能研究

3．4 结论

参考文献

第4章 Bi2WO6的辐射改性及其光催化性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 原料

4．2．3 γ射线辐射对Bi2WO6晶体影响的探究实验

4．2．3 测试与表征

4．2．4 光催化降解MB实验

4．3 结果与讨论

4．3．1 探究γ射线辐射法对Bi2WO6缺陷形成的影响

4．3．2 探究γ射线辐射法对Bi2WO6光催化性能的影响

4．4 结论

参考文献

第5章 Bi2WO6／PEDOT复合光催化剂的制备及其光催化性能研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 原料

5．2．3 γ射线辐射法制备Bi2WO6／PEDOT复合光催化剂

5．2．4 测试与表征

5．2．5 Bi2WO6／PEDOT复合光催化剂对MB的催化降解研究

5．3 结果与讨论

5．3．1 Bi2WO6／PEDOT复合光催化剂的制备与表征

5．3．2 Bi2WO6／PEDOT复合光催化剂对MB的催化降解研究

5．4 结论

参考文献

全文总结

课题展望

在读期间完成的学术论文

致谢