可见光催化剂的制备及其光催化性能的研究
作者单位：大连工业大学
学位级别：硕士
导师姓名：张秀芳
授予年度：2015年
学科分类：081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术]
摘 要：光催化氧化技术是极具应用前景的污染控制技术之一。针对当前光催化技术量子效率低的关键科学问题,以提高可见光催化剂的活性为目的,通过构建多级纳米球型结构和p-n异质结结构等方法对可见光催化剂形貌、结构和性能进行改性,从而得到具有较好催化性能的可见光催化剂。本研究的主要工作如下:(1)以KIT-6为模板,采用硬模板法制备介孔BiVO4,并利用介孔BiVO4为分配模板,通过浸渍法以Co(NO3)2为原料制备Co3O4/介孔BiVO4异质结可见光催化剂。对光催化剂进行了系统的表征,结果显示:Co3O4以较小的颗粒均匀担载在介孔BiVO4的孔结构表面,增加结接触面积,Co3O4/介孔BiVO4的禁带宽度相对BiVO4(2.43eV)有所减小,担载Co3O4可以增强光催化剂的吸光性能。可见光催化降解RhB测试表明,Co3O4/介孔BiVO4复合可见光催化剂具有优良的可见光催化活性,主要原因为Co3O4与介孔BiVO4具有较大的异质结接触面积,可以进一步有效地抑制光生电荷的复合。Co的担载量影响Co3O4/介孔BiVO4的光催化性能,当Co的担载量为4%时,得到的复合光催化剂具有较好的催化性能。(2)利用PVP为模板,采用HCl和Na2SO3·2H2O为原料,制备具有多级纳米结构的球型α-S可见光催化剂,并考查了PVP投加量对光催化剂理化性能的影响,得出PVP的最佳投加量为200mg。对样品进行系统的表征分析,分析表明PVP最佳投加量条件下所制备的α-S具有纳米片状堆积而成的球型结构,且颗粒大小较为均一,颗粒尺寸约为1μm,具有较大的比表面积,并且通过对罗丹明B的吸附研究表明,其具有较强的污染物吸附能力,PVP的加入有效地提高光生电子和空穴的分离效率。可见光催化降解RhB测试表明,具有多级纳米结构的球型α-S具有优良的可见光催化活性,这是由于多级纳米结构提高了催化剂的比表面积,增加对污染物的吸附性能,促进了表面反应,同时,促进了光生电荷的分离,光催化降解速率是块状α-S的3.6倍。(3).通过静电力作用将薄层g-C3N4与球型α-S进行复合,得到具有p-n异质结结构的薄层g-C3N4/球型α-S光催化剂,并且探讨了薄层g-C3N4担载量对光催化剂的形貌和光催化性能等性质的影响。对样品进行了系统的表征,分析表明,薄层g-C3N4/球型α-S具有较好的核壳结构,具有较大的结接触面积,薄层g-C3N4的复合提高了光催化剂的吸光性能,相对于α-S,球型薄层g-C3N4/球型α-S具有较高的光生电子和空穴分离效率。可见光催化降解RhB测试表明,当薄层g-C3N4的复合量为35%时,复合光催化剂具有较好的光催化效果,光催化速率是球型α-S的6.7倍,主要是因为异质结光催化剂具有较好的吸光性能,而且大接触面积的p-n异质结能够进一步有效地分离光生电子和空穴,从而显著提高光催化剂的催化性能。通过光催化反应活性物种的捕获剂实验,证明球型α-S的活性物种为·OH-、空穴和·O2-,而球型α-S与薄层g-C3N4复合后,光催化剂的活性物种有所改变,薄层g-C3N4/球型α-S的可见光催化反应主要活性物种是空穴和·O2-。(4).以薄层g-C3N4和β-Bi2O3为原料,通过静电力作用制备薄层g-C3N4/β-Bi2O3异质结可见光催化剂,并且探讨薄层g-C3N4担载量对光催化剂形貌、比表面积和光催化活性等理化性能的影响。对样品进行了系统的表征,研究表明,薄层g-C3N4被均匀地担载在β-Bi2O3颗粒上,复合薄层g-C3N4提高光催化剂吸光性能的同时,也有效地抑制了光催化剂的光生空穴和电子的复合。可见光催化降解RhB测试表明,薄层g-C3N4/β-Bi2O3具有优良的可见光催化活性,这是因为异质结结构促进了光生电荷的分离。薄层g-C3N4的担载量影响g-C3N4/β-Bi2O3异质结的可见光光催化性能,薄层g-C3N4的最佳担载量为30%。(5).以石墨为原料,分别以化学氧化和化学氧化加超声的方法制备具有不同含氧官能团的GO,再利用离子交换的方法将Ag3PO4担载在GO表面。对GO和GO/Ag3PO4进行了系统的表征,分析表明,不同的氧化过程可以对GO表面含氧官能团和GO能带结构产生影响,化学氧化制备的GO表面含有CH(O)CH和O-H官能团,相对于前者,化学氧化与超声辐射相结合制备的GO表面含氧官能团的种类和数量均有所增加,除了含有CH(O)CH和O-H两种官能团外,还具有C=O和COOH官能团。化学氧化制备的GO的VB和CB分别为0.2e V和-0.52eV(vs NHE),而经过超声辐射的GO的VB和CB分别为2.3eV和-0.75eV(vs NHE)。具有较小颗粒尺寸的Ag3PO4颗粒均匀担载在GO表面,使得GO/Ag3PO4具有较大的比表面积,较强的吸光
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