氧化铋基复合光催化剂的制备及其光降解有机污染物的性能研究

作     者：余昕 

作者单位：广西大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王东波

授予年度：2021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] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 

主      题：氧化铋 石墨相氮化碳 同质结 异质结 可见光光催化 

摘      要：半导体光催化技术可以在温和可控的条件下完全矿化污水中的有机物,在污水处理领域具有潜在的应用前景。氧化铋(BiO)是一种重要的半导体材料,具有独特的光电特性,在超导、电容、催化等领域已经有广泛的应用。在氧化铋的众多晶形中,α相和β相因其合适的能带结构(2.4-2.9 e V),具有较优的光催化性能,然而单体α-BiO和β-BiO存在光利用率低,光生载流子复合率高的问题,严重限制了光催化性能的实际应用。制备复合材料来提高光生载流子的分离和转移,弥补其中单体的缺陷是有效的优化方法之一。本论文致力于通过简单的合成方法制备氧化铋基复合光催化剂。一方面利用温度对氧化铋晶形结构的影响,合成了化学组成完全一致的氧化铋同质结;另一方面,利用β-BiO在溶剂热反应过程中的晶体生长特性,通过更换β-BiO的生长基底,构建了α/β-BiO同质结和g-CN/β-BiO异质结两种完全不同的体系。(1)以Bi(NO)·5HO为Bi源,通过溶剂热法合成了β-BiO,之后采用不同的温度对其进行煅烧,促使氧化铋的晶形逐渐从β相向α相转化,得到了α/β-BiO同质结。利用X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、电子显微镜、紫外-可见漫反射光谱、X射线光电子能谱、荧光光谱等测试方法对该材料的物化性质、光电特性进行了表征,考察了该方法制备的氧化铋材料对盐酸四环素(TC-HCl)的光催化降解性能和原理;(2)通过高温煅烧Bi(NO)·5HO得到α-BiO,加入到合成β-BiO的溶剂热体系中,调节两种不同晶形氧化铋的质量比,制备了一系列的α/β-BiO同质结复合材料。考察了该系列同质结材料对罗丹明B(Rh B)和TC-HCl的光催化降解活性。研究结果表明,该同质结组分可控,形貌规则,利用X射线光电子能谱和自由基捕获等方法判断了光催化过程中该种同质结界面上电子的转移方向。(3)以三聚氰胺(CHN)为前驱体,高温煅烧合成了石墨相氮化碳(g-CN),加入到合成β-BiO的溶剂热体系中,调节g-CN和β-BiO的质量比,得到了一系列g-CN/β-BiO异质结复合材料。利用扫描电镜对β-BiO在g-CN表面生长的过程进行了表征,并对发生的化学反应进行了分析。通过X射线光电子能谱、荧光光谱和自由基捕获实验,分析了该种异质结在光催化降解Rh B和对硝基苯酚(PNP)过程中的原理,推测其载流子转移机理符合Z型异质结路径。