新型卤氧化铋复合光催化剂的制备及其光催化性能的研究

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本课题以卤氧化铋在光催化领域的应用作为研究基础,设计了一系列卤氧化铋光催化剂的制备方法,研究了其形貌结构、光化学、电化学等性质,分析了其对染料(RhB)和抗生素(TC)的降解效率和循环稳定性,并进一步提出了其光催化体系催化反应机理。具体研究内容简要描述如下:采用简单的阴离子交换法,制备了BiOI/Bi2O2CO3二元复合光催化剂;采用溶剂热法,对该二元材料氨基化表面电荷改性形成表面正电荷的Ami-BiOI/Bi2O2CO3催化剂;通过静电自组装策略,将Ami-BiOI/Bi2O2CO3与石墨烯(RGO)复合,使二者之间发生紧密的界面接触,形成氨基功能化的(Ami-)BiOI/Bi2O2CO3/RGO三元复合光催化剂。通过实验分析,二元复合材料比单体材料对RhB和TC的降解具有更优异的光催化活性,这取决于BiOI与Bi2O2CO3之间形成p-n结促进了光生载流子的分离;三元Ami-BiOI/Bi2O2CO3/RGO复合材料对污染物的降解表现出比二元复合材料和未改性的三元材料更高的光催化性能,表明RGO的负载提升了BiOI/Bi2O2CO3异质结上的电子转移率,并且与氨基化后的半导体材料复合后载流子迁移率进一步增强。通过溶剂热法,并用氢氧化钠调节pH,成功制备了元素化学计量比不同的三种卤氧化铋:BiOI、Bi4O5I2和Bi5O7I。三者各自光催化效果比之前制备的的片状BiOI都要出色,其主要原因一方面是分级的三维多孔结构导致入射光反复折射进而提高光源利用率;另一方面具有较大比表面积的结构在表面吸附更多的活性物种和反应物分子,产生较高数量的电荷载流子。再以Bi4O5I2为前驱体,采用NaBH4还原法,成功还原出铋纳米球的同时,部分Bi4O5I2转化为Bi5O7I,形成Bi/Bi4O5I2/Bi5O7I复合材料。通过光催化实验得知,Bi/Bi4O5I2/Bi5O7I复合材料在可见光照射下对RhB和TC光降解具有最高的光催化性能。这可能是由于具有表面等离子体共振效应的铋纳米粒子与Bi4O5I2/Bi5O7I同型异质结之间的协同效应,进一步促进了光催化表面电荷的转移。通过十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)既作为溴源又作为模板剂的条件下,水热法制备了尺寸均一,分散性良好的超薄BiOBr纳米片。其次,通过CTAB作为螯合剂,调节还原剂用量,制备出了Cu2O/BiOBr和Cu/Cu2O/BiOBr复合材料,且尺寸均一,分散性良好。结果表明,CTAB的存在能够抑制N2H4的还原程度。经过光催化实验发现,Cu/Cu2O/BiOBr复合材料在可见光照射下对TC光催化具有最高的降解效率,这解释为异质结拓宽了可见光区的响应范围,同时Cu单质作为助催化剂所引起的表面等离子体共振效应进一步促进了Cu2O/BiOBr表面电子转移速率。自由基捕获实验揭示了,光催化降解过程的主要活性物种为h+、·O2-和·OH。在此基础上,提出了可能的电子转移路径,设计了一种新的Z型异质结方案,很好地解释了实验结果。
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