碘氧化铋基改性光催化剂的制备及其脱除燃煤烟气汞实验研究

作     者：刘国龙 

作者单位：上海电力大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马昕霞

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] 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：燃煤烟气 光催化氧化 元素汞 空位 异质结 

摘      要：如今,工业的快速发展引发了一系列的环境污染问题,而在众多的环境问题中,燃煤电厂产生的烟气污染物是不容忽视的。在烟气污染物中,重金属汞因其生物积累性和剧毒性受到了各国研究者的重视。光催化氧化脱汞技术作为新兴技术与传统的活性碳喷射(ACI)脱汞技术相比,其拥有无二次污染、高效和低成本等优点,有潜力成为高效的烟气汞控制技术。本文通过对具有良好的光学特性和独特的层状结构的碘氧化铋(BiOI)和高碘氧铋(Bi7O9I3)光催化剂进行合理的改性,并在结合理论与实验结果的基础上探究出具有优异光催化氧化脱汞性能的碘氧化铋基光催化剂。本文采用煅烧法将二氧化钛(TiO)与碘氧化铋(BiOI)掺杂,合成了具有碘空位的TiO/BiOI1-X异质结光催化剂,并将其应用于光催化脱除烟气中的元素汞(Hg0)。结合表征分析和密度泛函理论(DFT)计算结果,证实了TiO/BiOI1-X复合光催化剂中存在碘空位和异质结,并进一步讨论了它们对光催化活性的影响。在TiO/BiOI1-X复合光催化剂中,碘空位和异质结的协同作用提高了光生电荷的迁移效率,保留了高氧化还原能力的光生电子和空穴,并有效地提高了光催化活性。故在协同作用的影响下,TiO/BiOI1-X复合光催化剂具有良好的光催化氧化脱汞性能,其脱汞效率为81.49%。因此本文认为采用引入空位和构建异质结来改善光催化剂脱汞性能的思路是可行的。基于上述思路,为进一步探究脱汞性能更优异的光催化剂,本文通过溶剂热法将二氧化铈(CeO)与高碘氧化铋(Bi7O9I3)掺杂复合,合成了具有Z型异质结和氧空位的CeO/Bi7O9I3花球状光催化剂。光催化脱汞实验结果表明,与TiO/BiOI1-X复合光催化剂相比,CeO/Bi7O9I3光催化剂具有更优异的脱汞性能,其在模拟烟气中的脱汞效率可达97.63%。为分析CeO/Bi7O9I3光催化剂具有优异的脱汞性能的原因,本文不仅对该光催化剂的理化特性进行了深入分析,而且利用DFT计算探究了其内光生电荷的迁移机制。表征结果表明,CeO/Bi7O9I3光催化剂表面存在大量的氧空位,可作为电子陷阱加速电子转移,并且该光催化剂具有良好的比表面积和电荷迁移效率,这均有助于提升光催化氧化性能。结合DFT计算、ESR分析和活性物种捕获实验的结果,确定了CeO和Bi7O9I3之间存在一个内置电场,光生电荷会沿着Z型路径进行电子迁移,即构成了有益的Z型异质结。最后,本文提出Z型异质结和氧空位的双重效应可以有效增强光催化氧化脱汞能力,并分析了光催化反应机理。