Bi2WO6和Co3O4/Bi2WO6催化剂的制备及其光催化活性的研究

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随着国家对环境保护的重视和人们环保意识的提高,如何有效的去除有机污染物(如酚类化合物)越来越引起科研工作者的重视。因此,开发新型的降解酚类化合物的材料或降解工艺,对减少有机污染物苯酚的排放具有重要的意义。半导体光催化过程由于具有低成本,无二次污染,可持续等特点,得以广泛应用于除去挥发性有机物(VOC)、废水中微生物和持久性有机物。Bi2MO6(M=Mo,W,Cr)成为研究者研究半导体光催化剂的热点材料,其中Bi2WO6是Aurivillius系列最简单的具有层状结构的钙钛矿型氧化物,由[Bi2O2]2+和[WO6]2-八面体层交替组成,主要因为Bi2WO6能在可见光区域响应,可以提高太阳辐射能量利用效率。但是Bi2WO6具有较高的电子-空穴对复合率及在可见光区吸收较弱,所以为了提高其光催化活性,需进行复合来降低载流子复合率,并且增大在可见光区的吸收范围。Co3O4禁带宽度较窄,在光催化降解染料方面得到广泛的应用。基于此本文采用水热法制备Bi2WO6,考察温度、时间、表面活性剂三个工艺参数对Bi2WO6催化剂光催化性能的影响;Bi2WO6作为基底,通过浸渍法合成Co3O4/Bi2WO6复合催化剂,对催化剂进行表征,研究了在可见光照射下Co3O4/Bi2WO6复合催化剂对苯酚降解的影响。本文的主要研究内容和结论如下:(1)以Na2WO4?2H2O和Bi(NO33?5H2O为原料制备Bi2WO6催化剂,探究不同水热反应时间对Bi2WO6催化剂光催化活性的影响,结果表明随着时间的延长,晶型变化不大,呈现结构均一的二维纳米片组成的花瓣状球形,水热反应时间为12 h时对苯酚的降解率最高,结晶度最好,所以反应最佳时间选12 h。探究不同水热反应温度对Bi2WO6催化剂光催化活性的影响,XRD结果表明随着温度的升高,催化剂晶型趋于完整,180℃时衍射峰最大,峰型最尖锐,结晶度最好;SEM显示180℃时催化剂基本形成结构均一的二维纳米片组成的花瓣状球形;180℃时降解率最高,此时催化剂提供更多的孔道利于吸附苯酚溶液,增强对可见光的吸收,提高Bi2WO6催化剂对苯酚的降解,因此最佳反应温度为180℃。探究添加不同种类表面活性剂对Bi2WO6催化剂光催化活性的影响,不同种类表面活性剂对催化剂的结构和形貌影响较大,结果显示表面活性剂为PVP时衍射峰最大,峰型最尖锐,结晶度最好,结构均一,二维纳米片组成花瓣状球形,并且其独特的溶解性能使得PVP胶束形态作为成核中心对Bi2WO6晶面能起到调控作用,降解率最高,所以最佳表面活性剂选PVP。(2)以Bi2WO6和Co(NO32?6H2O为原料合成Co3O4/Bi2WO6复合催化剂,探究Co2+不同加入量对催化剂光催化性能的影响,XRD结果表明复合后并没有引起Bi2WO6催化剂结构的变化,保持了Bi2WO6的斜方晶相,没有任何杂质峰生成;XPS显示Co2+为6%时出现Co3O4的2p3/2和2p1/2轨道衍射峰,说明样品中Co3O4复合成功且以Co3O4形式存在;SEM发现随着Co2+量的增加,花瓣球体从中间向外缓慢裂开,结构变得松散,纳米片变小且少,说明样品晶粒尺寸变小,有利于缩短载流子到催化剂表面的距离,降低电子-空穴对的迁移距离;UV-vis显示复合Co3O4后可见光吸收范围扩大,禁带宽度减小;复合催化剂对苯酚进行降解显示Co2+加入量为6%时,苯酚的降解率为57.11%,效果最佳,此时表观速率常数最高0.16 h-1,是Bi2WO6的两倍以上。
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