纳米复合光催化剂的制备及在选择性氧化苯甲醇中的应用

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半导体光催化剂在解决能源与环境问题方面存在着巨大的潜力,因此吸引了科学家的广泛关注。但是,单一半导体材料往往存在着不能吸收可见光以及光生载流子间极易发生复合的问题,限制了光催化的实际应用。科研工作者们采用了许多手段来解决这一问题,其中最常见的方法就是构建复合半导体结构。  光催化选择性氧化还原反应指光催化剂在光照及一定气氛下将有机反应物选择性的氧化或还原为目标产物的反应过程,是近年来在光催化领域逐渐兴起的一个研究热点。不同于传统的无选择性的污染物降解反应,光催化选择性氧化还原反应的目标产物明确,且反应条件温和,不像传统有机反应那样需使用有毒试剂或高温高压的实验条件,因此具有很高的应用价值,值得我们去探索研究。  在本论文中,我们首先通过控制氨水滴加量的方法成功制备了一系列壳层厚度可调的CdS@TiO2复合材料,并选择在可见光下光催化氧化苯甲醇的反应为探针反应来测试催化剂的光催化活性。表征结果说明,虽然无定型TiO2(a-TiO2)可以显著增加催化剂的比表面积,并有效地促进光生电子-空穴对的分离,但同时也会削弱CdS对可见光的吸收,同时还会使反应物扩散到CdS纳米棒表面参与反应的路径变长。因此,随着TiO2层厚度的不断增大,苯甲醛的产率表现出先增加后减小的趋势。通过循环实验可以证明,CdS@a-TiO2具有更好的光稳定性。  其次,本文通过溶剂辅助的界面反应法制备出SnO2量子点,而后在超声的情况下将其负载到CdS纳米棒表面,成功制备一系列具有不同壳层厚度的CdS@SnO2复合半导体,表征结果说明,SnO2层可以增大催化剂的比表面积,增强可见光的吸收能力,提高光生载流子的传输效率。通过在光催化选择性氧化苯甲醇反应中的应用,我们发现:与单纯的CdS相比,CdS@SnO2复合材料的光催化活性以及光稳定性都得到了大幅度的提升。自由基捕获实验说明,超氧负离子和空穴是参与苯甲醇氧化反应的两类主要的活性物质,而反应体系中没有羟基自由基的存在则是反应能够取得较高选择性的主要原因。  最后,本文在低温下通过一锅法制备了AgBr/TiO2/GO三元复合材料并详细研究了各组分的相对含量对于复合体系光催化活性的影响。实验结果表明,AgBr,AgBr/TiO2,AgBr/GO,AgBr/TiO2/GO在可见光选择性氧化苯甲醇反应中的光催化活性依次增强,这说明与石墨烯或TiO2的复合会显著提高AgBr的光催化活性,且石墨烯对于光催化活性的提升作用更强。通过对催化剂形态结构及光电性能的研究,我们发现二元/三元复合结构对光生载流子分离的促进作用是它们具有更高光催化性能的主要原因。
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