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光催化和光电催化是一类有效制备氢气和降解水中有机物的技术。为充分利用太阳光谱中的可见光部分,本研究从含铋元素光催化剂制备开发和光催化及光电催化实验条件的优化及催化机理探讨等方面进行了研究。
本文首先对TiO2光电极进行了碳掺杂改性。发现碳元素掺杂后,TiO2晶型从单一的锐钛矿转变为锐钛矿和金红石的混合态。光电催化体系中,C-TiO2的光响应略有增强,但吸收光依然集中在紫外范围内,可见光照射下几乎无响应。电解质溶液中牺牲试剂的加入有利于系统光电流的增大。两室的光电反应器可同时进行阳极降解和阴极产氢,提高了光电利用效率。
为进一步拓展催化剂光吸收范围,利用非晶态配合物前驱体法制备了Bi2O3光催化剂粉体,并通过浸渍一提拉法制备了Bi2O3光电极。Bi2O3粉体在紫外线照射下对酸性橙Ⅱ染料高效脱色,可见光照射下也可对其有一定的去除作用,但效率较低。Bi2O3光电极在可见光照射和外加偏压作用下对罗丹明B脱色效果明显,且在实验中观察到光催化和电催化的协同作用。
BiVO4光电催化体系可有效的在可见光照射下降解2,4-二氯酚和双酚A等无色有机物质,光响应范围较Bi2O3大幅扩宽。利用非晶态络合物前驱体法制备的光电极表面有明显孔隙,增大了溶液与催化剂的接触面积,提高了催化效率。采用Ag、Co和Ni三种金属对BiVO4粉体进行了掺杂改性。发现掺杂后样品对染料的脱色率都优于未经掺杂的BiVO4。三种金属掺杂提升光催化性能的机理略有不同。Ag为离子取代,替换了BiVO4中的Bi离子。Ni主要是沉积在BiVO4颗粒表面,与BiVO4形成p-n结。Co的掺杂过程同时包含以上两种机制。在制备的三种掺杂样品中,Co-BiVO4的光催化效率最高。
随后考察了不同Co掺杂浓度的Co-BiVO4光催化剂粉体在可见光下对有机物的降解效能。随着Co掺杂浓度的增加,Co-BiVO4中的Co的价态从+2价逐渐过渡到+3价。5％Co-BiVO4中的Co以Co3O4形式存在,同时含有+2和+3价Co离子。该样品具有最佳的催化性能。利用5%Co-BiV4前驱体溶液制备的光电极在可见光和适度外加电压的作用下可有效降解氯酚。电子移动性随外加电压的增加而显著改善。使用Co-BiVO4光电极催化降解2,4-二氯酚不同阶段溶液的生物毒性测试显示光电催化降解氯酚将逐步降低物质的生物毒性,便于后续生物处理的进行。
在光催化和光电催化反应过程中,pH值、照射光源、光催化剂投加量、溶液中有机物浓度和不同的无机盐都会对光催化和光电催化的效率产生一定程度的影响。pH的影响涉及催化剂和污染物的性质。紫外线照射时的光催化或光电催化性能优于可见光照射。溶液中有机物浓度越低,脱色和降解过程越短。对于不同的催化体系,最优参数略有不同。