Bi/BiOBr复合光催化剂的制备及其太阳光催化降解典型VOCs研究

作     者：余晴晴 

作者单位：广东工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李彦旭;陈江耀;郭茂喜

授予年度：2019年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081704[工学-应用化学] 081705[工学-工业催化] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 0703[理学-化学] 

主      题：Bi/BiOBr 太阳光催化 挥发性有机物 机理 

摘      要：近年来,由于我国在工业生产上的迅速发展,因此其所产生的大气污染物的数量和种类在不断的增加。工业企业的规模、工艺过程、性质、原料和产品种类都会在一定程度上影响着其对大气的污染。中国的能源主要来自雨煤炭,占了67%,因此为了提近年来,挥发性有机物(VOCs)的污染控制已成为科学家研究的热点,VOCs毒性大,成份复杂,如果不加以适当的处理便向大气直接排放,必然会降低空气质量、影响人类的生存。光催化技术是一种绿色、环保、高效深度处理技术。半导体光催化技术已经被证实为一种经济和有效的VOCs污染治理方法。卤氧化铋(BiOX)是一种重要的三元结构半导体光催化剂,因其独特的层状结构、适合的禁带宽、高的化学稳定性和催化活性以及可见光响应高等特点,已成为光催化剂研究的一个新方向。因此,本研究利用溶剂热法原位合成出了Bi负载BiOBr(Bi/BiOBr)复合光催化剂,通过改变溶剂种类和溶剂热温度,实现了Bi/BiOBr复合光催化剂物理化学性能的调控,以典型VOCs—正己烷为模型化合物,进一步开展了Bi/BiOBr复合光催化剂太阳光催化降解正己烷研究,考察了溶剂种类、溶剂热温度和太阳光波段对光催化降解正己烷性能和正己烷转化机理的影响。本论文主要的研究内容和结果如下:(1)利用溶剂热法原位合成出了Bi/BiOBr复合光催化剂,通过改变溶剂种类和溶剂热温度,实现了Bi/BiOBr复合光催化剂物理化学性能的调控,进一步考察了溶剂种类和溶剂热温度对光催化降解正己烷性能的影响。研究结果表明:以Bi盐为前体物,以甲醇、乙二醇和丙三醇分别为溶剂,在140 C、160 C、180 C和200 C反应温度下,原位合成出Bi/BiOBr复合光催化剂。当以甲醇为溶剂,在所有温度下均不能得到Bi/BiOBr复合光催化剂。相反,在选取的反应温度下,以丙三醇为溶剂除了140 C合成的催化剂不能得到Bi/BiOBr复合光催化剂,其他催化剂均能得到Bi/BiOBr复合光催化剂,且Bi的含量随着温度的升高而增大。对于乙二醇体系,只有当反应温度≥180 C时,才能得到Bi/BiOBr复合光催化剂。正己烷降解结果表明:80min内,Bi/BiOBr复合光催化剂可以实现正己烷的完全降解。其中以乙二醇为溶剂合成的光催化剂的降解效率最高(100%),其次为丙三醇和甲醇。主要是由于乙二醇为溶剂合成的光催化剂具有合适的黏性;不同反应温度的影响结果表明:随着反应温度的提高,甲醇为溶剂合成的光催化剂对正己烷的降解效率先升高后降低,乙二醇和丙三醇为溶剂合成的光催化剂对正己烷的降解效率逐渐降低。这主要是由于甲醇为合成溶剂时,合成温度的升高可能使催化剂充分生长形成纳米片,最后温度较高时,催化剂的纳米片发生坍塌,从而影响其催化活性;乙二醇和丙三醇为合成溶剂时,合成温度的升高使得生成的Bi金属逐渐增多,从而BiOBr减少,使得降解活性下降。因此,对于合成具有高正己烷降解活性的Bi/BiOBr复合光催化剂,其最佳溶剂和反应温度为乙二醇和140 C。(2)进一步采用过滤的方法,考察了太阳光中不同波段对Bi/BiOBr复合光催化剂降解正己烷的性能和机理的影响。研究结果表明:在全波段光照射下,Bi/BiO Br复合光催化剂对正己烷的降解效率最高(160/Gl和200/Gl催化剂40min的降解效率分别为99.3%、48.7%),其次是滤红外光(160/Gl和200/Gl催化剂40min的降解效率分别为83.3%、3.9%)和滤紫外光(160/Gl和200/Gl催化剂40min的降解效率分别为32.6%、6%)。主要原因是全光谱的能量较大,对正己烷分子的破坏力较强,而滤红外光或者滤紫外光后,缺少了部分能量,从而对正己烷分子的破坏力有所下降。进一步的自由基、产物鉴定和转化机理结果表明:在太阳光照射下,Bi/BiOBr复合光催化剂上会产生大量的超氧自由基,这些自由基会将正己烷转化为3-甲基-1-戊酮、2,2,4-三甲基-氧烷、2-甲基-3-醇-1-戊烯、3-己酮、2-己酮、3-己醇、2-己醇和1-乙基丁基-过氧化氢,并最终降解为CO和HO。