Bi2O3光催化剂的制备与改性研究

作     者：孙小锋 

作者单位：青海师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：县涛

授予年度：2022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] 07[理学] 081705[工学-工业催化] 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)] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 0703[理学-化学] 0713[理学-生态学] 

主      题：光催化 Bi2O3 改性 氧空位 复合 

摘      要：光催化技术被认为是一种能够解决环境污染和能源短缺问题的理想技术。BiO作为一种半导体光催化剂,由于其具有合适的能带结构和优异的化学稳定性,成为目前被广泛研究的可见光光催化剂。然而,BiO光催化剂中较高的光生电荷复合和有限的光吸收范围严重影响着其在光催化领域的应用。因此,本论文以BiO为研究对象,通过不同的策略对其进行改性研究,旨在提高其光催化降解和还原效率。本研究不仅为BiO满足不同的光催化降解和还原要求提供了可借鉴的改性方案,还为BiO在光催化领域的实际应用提供了可参考的理论和实验依据。主要研究内容及获得成果包括:(1)采用聚丙烯酰胺凝胶法制备出BiO颗粒,然后通过光还原法在BiO颗粒表面修饰粒径为6～18 nm的Au Ag合金纳米颗粒,获得Au Ag/BiO复合物。模拟太阳光和可见光照射下对罗丹明B(Rh B)、甲基橙(MO)和Cr(VI)的催化降解和还原实验发现:Au Ag/BiO复合物展示出比BiO,Ag/BiO和Au/BiO更高的光催化降解和还原性能。电化学测试和荧光光谱分析表明,相比于BiO单体,Au Ag/BiO复合光催化剂中光生电荷的分离效率得到明显提升。循环实验表明Au Ag/BiO复合物具有良好的光催化循环性能和化学稳定性。(2)通过光还原法将Au,Pt和Au Pt合金纳米颗粒修饰在BiO颗粒表面,得到Au/BiO,Pt/BiO和Au Pt/BiO复合物。在模拟太阳光照射下评估了Au Pt/BiO复合物光催化降解和还原酸性橙7(AO7)和Cr(VI)的性能。实验表明:Au Pt合金纳米颗粒的修饰极大地提升了BiO的光催化效率,并且以苯酚为目标反应物研究了Au Pt/BiO复合物的内在光催化性能。同时利用XPS和HRTEM充分证实Au Pt合金纳米颗粒的存在及其在BiO表面的均匀分布。结合Au Pt/BiO复合物光催化机理可知:Au Pt合金与BiO之间形成合适高度的肖特基势垒有效抑制了光生电荷的复合,从而提升了光催化效率。(3)采用水热法制备出BiO微棒,通过共沉淀法将AgS纳米板修饰在BiO微棒表面制备出AgS/BiO样品,采用近红外光修饰法选择性地在AgS纳米板表面修饰Au纳米颗粒制备Au-AgS/BiO复合物。SEM,TEM和HRTEM观察发现Au纳米颗粒只修饰在AgS表面,BiO微棒表面未发现Au纳米颗粒的存在。模拟太阳光辐照下对AO7,Rh B,AO7/Rh B混合物和Cr(VI)的光催化降解和还原实验表明:对于AgS/BiO样品,AgS的含量为12%时催化效果最佳。此外,通过Au纳米颗粒的选择性修饰,2Au-12%AgS/BiO复合光催化剂的催化效率达到最佳。通过对苯酚的降解证实,染料的降解主要源于产物具有的内在光催化属性,而非染料光敏化作用。光催化机理分析发现,AgS和BiO构成Z型异质结不仅促进了复合物中光生电荷的分离效率,同时优化了BiO的光催化氧化还原能力,Au纳米颗粒选择性地修饰在AgS表面不仅能够俘获AgS导带中的光生电子,而且能够弥补Z型异质结AgS/BiO出现的光生电荷被消耗的问题。从而提升了光催化效率。(4)采用简单的NaBH化学还原法,在BiO表面成功引入氧空位层获得BiO样品,通过水热法将碳量子点修饰在BiO表面获得CQDs/BiO复合物。结合XPS分析和HRTEM观察发现,通过改变NaBH的浓度可以调控BiO样品表面氧空位层的厚度。此外,也观察到CQDs成功地修饰在BiO样品表面。在模拟太阳光和近红外光照射下对酸性橙7(AO7)的光催化降解实验发现:对于BiO样品,相比于BiO光催化效率得到明显提升,3R-BiO(NaBH:3 mmo/L)样品的降解效率达到最佳,在3R-BiO表面修饰CQDs,可以得到光催化活性更高的CQDs/BiO复合物。其中,15C/3R-BiO复合物的光催化活性最高。与BiO和3R-BiO不同,15C/3R-BiO样品还能够在近红外光(NIR)照射下进行光催化反应。并且BiO和CQDs/BiO样品具有良好的光催化稳定性。对CQDs/BiO复合物光催化机理分析表明:表面氧空位的引入不仅能够在禁带中产生氧空位态减小带隙,还能够俘获光生电子促进光生电荷的快速分离。CQDs的修饰:一方面,CQDs能够在可见光激发下产生光生电子并能转移至BiO的导带,同时CQDs还是一种良好的电子受体可以俘获BiO受激产生的光生电子,进一步促进BiO样品中光生电荷的分离效率。另一方面,CQDs还表现出优异的上转换性能,其上转换荧光可以有效激发BiO,提高了光生电荷的产率。