新型钨酸铋基异质结的制备及应用研究

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钨酸铋被认为是Bi基氧化物中具有最佳可见光催化活性的半导体催化剂之一,近几年受到了学者们的广泛关注。但是由于光生电子-空穴对的快速复合和可见光响应范围较窄等因素的限制,抑制了单一钨酸铋催化剂的可见光催化活性。因此,对单一Bi2WO6进行修饰和改性以提高其在可见光下的光催化活性仍然是铋系催化剂研究的主流方向。目前对于钨酸铋的改性研究大多停留在实验室制备阶段,本文试图将该催化剂进行改性、负载,并应用于环境净化技术中。本文采用半导体复合改性制备出了具有高可见光响应的Bi2WO6/Bi2O3异质结,将其负载到火山渣表面,并应用于连续池式光催化反应器中。为进一步提高Bi2WO6/Bi2O3异质结的光催化活性,对Bi2WO6/Bi2O3进行硫掺杂和碳负载改性,制备出具有更强可见光响应和光生电子-空穴对分离能力的新型多元异质结催化剂。通过一系列表征方法,探讨了不同改性方法制备的多元异质结的形成过程和增强光催化活性机理。同时,通过对比可见光催化活性,确定了最佳多元异质结催化剂,并将其应用于两段两段管式式光催化反应器中。本论文围绕以上研究内容,主要开展了以下研究工作并得到相关结论:1.构筑Bi2WO6/Bi2O3异质结:采用一步溶剂热法制备出Bi2WO6/Bi2O3异质结(BWO)。通过实验确定了当油酸钠与硝酸铋的摩尔比(SO:Bi)为1.25:1时,为异质结的最佳制备条件,制备的BWO4表现出了最佳的光催化活性,1.00g/L的BWO4在90min内对10-2g/L RhB的降解率达到99.50%。油酸钠的加入促进了Bi2O3的生成,从而构筑了Bi2WO6/Bi2O3,形成的p-n型异质结,增强了该催化剂的光催化活性。2. Bi2WO6/Bi2O3固定化及在连续池式光催化反应器中的应用:采用一步溶剂热法制备了Bi2WO6/Bi2O3负载火山渣复合催化剂(BWO@S),Bi2WO6/Bi2O3均匀地负载在火山渣表面上,并表现出良好的光催化活性,30.00g/L的BWO@R在90min内对10-2g/L RhB的降解率达到98.91%。将制备的BWO@S应用在连续池式光催化反应器中,通过光催化降解2×10-3g/L RhB的结果表明,在水力停留时间为7.46h条件下,反应器出水RhB的降解率达到95.60%,表现出良好的光催化降解效果。3.对Bi2WO6/Bi2O3异质结的S掺杂改性:采用一步溶剂热法制备了S掺杂Bi2WO6/Bi2O3多元异质结催化剂(S-BWO)。通过实验确定了硫脲与油酸钠的摩尔比(S:SO)为1:4时为最佳催化剂制备条件,制备的S-BWO3表现出了最佳的光催化活性,1.00g/L的S-BWO3在20min内对10-2g/L RhB的降解率达到98.11%。由于S以掺杂的形式进入Bi2WO6/Bi2O3晶格中取代Bi2O3中的O原子形成Bi-S造成了晶格缺陷,增强了S-BWO的可见光催化活性。4.对Bi2WO6/Bi2O3异质结的碳负载改性:采用一步溶剂热法制备了Bi2WO6/Bi2O3负载还原氧化石墨烯多元异质结催化剂(BWO@R),制备过程中可将氧化石墨烯完全还原成石墨烯,无需二次还原,简化了制备过程。当加入氧化石墨烯的质量比(GO%)为2%时,制备的BWO@R2表现出的最佳的光催化活性,在可见光照射下1.00g/L的BWO@R2在20min内对10-2g/L RhB的降解率达到99.60%。同时,BWO@R2具有良好的吸附性,120min内1.00g/L的BWO@R2对RhB的吸附去除率达到88.20%。负载RGO后没有改变原有催化剂的晶型结构,但是由于石墨烯独特的单层二维结构和优良的导电性和电子迁移率,增强了BWO@R的可见光催化活性。通过可见光催化活性的对比,确定BWO@R为最佳的多元异质结催化剂,将其应用在自行设计的两段管式光催化反应器中。通过光降解5×10-3g/L RhB的结果表明在最佳的水力停留时间100s条件下,光催化反应器光降解有机污染物效率较高,可达到98.91%左右,表现出了良好的光催化降解效果。
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