石墨烯量子点修饰Bi2WO6光催化剂的制备及其光催化活性研究

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近年来,全球气候变暖日益加剧,二氧化碳减排和转化问题受到广泛关注。现有CO2转化的方法有捕获和封存,但效率低,成本高。光催化技术是一种非常有前景的方法。传统的光催化剂(TiO2)禁带宽度大,且仅对紫外光有响应,对太阳能的利用率仅4%。目前,具有独特层状结构的铋系光催化剂材料,引起了研究者的极大关注。在铋系光催化剂中,Bi2WO6作为一种优良的可见光驱动光催化剂,具有窄带隙(?2.8eV),适合的能带位置,热稳定性,化学稳定性和环境友好性等优点。然而,Bi2WO6的高导带势能和快速光生载流子的复合限制了其在光催化还原CO2中的应用。本论文主要是通过石墨烯量子点修饰复合来降低Bi2WO6光催化剂导带势能并提高光生载流子的分离效率,以此达到提高光催化还原CO2的效率的目的。研究内容总结如下:(1)不同粒径的石墨烯量子点(GQD)修饰Bi2WO6。紫外可见光漫反射(UV-vis)和X射线光电子价带能谱(XPS-VB)等测试表明GQD修饰后的Bi2WO6光催化剂的禁带宽度变窄,导带位置更负。光致发光光谱(PL)和瞬态光电流密度(I-t)等测试表明:GQD修饰之后,复合催化剂的光生电子空穴对的分离效率提高。CO2还原实验结果为:300 W氙灯照射,NaHCO3作牺牲剂,CH4的产率是19.58μmol/g.cat·h,CO的产率是15.56μmol/g.cat·h。(2)构筑g-C3N4/GQD/Bi2WO6双Z型异质结光催化剂。将石墨相碳化氮(g-C3N4)成功引入到GQD/Bi2WO6复合光催化剂中,形成双Z型异质结构的光催化剂。X-射线光电子能谱(XPS)分析确定g-C3N4成功地引入到复合催化剂中,N2吸附脱附测试表明,引入g-C3N4后复合光催化剂的比表面积增大。扫描电子显微镜(SEM)测试表明引入g-C3N4后Bi2WO6纳米片的分散性更好。CO2还原实验结果为:CH4的产率是29.00μmol/g.cat·h,CO的产率是21.30μmol/g.cat·h。光催化还原CO2实验证明,相对于GQD/Bi2WO6材料来说,g-C3N4/GQD/Bi2WO6复合光催化剂表现出优越的光催化效率。(3)GQD/Bi2WO6复合催化剂的表面引入氧空位。电子顺磁共振(EPR)、X-射线衍射(XRD)和XPS测试证明复合光催化剂的表面有氧空位(Vo)存在。紫外可见光漫反射(UV-vis)和X射线光电子价带能谱(XPS-VB)等测试表明,复合催化剂的禁带宽度变窄,导带位置更负。光致发光光谱(PL)表明氧空位的形成加速了光生载流子电荷的分离。CO2还原实验结果为:CH4的产率是47.31μmoL/g.cat·h,CO的产率是32.87μmoL/g.cat·h。光催化还原CO2的实验表明,氧空位的存在大大提高了复合催化剂的光催化还原CO2的活性。
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