论文部分内容阅读
纳米二氧化钛（TiO2）光催化材料无毒、廉价易得、稳定性好以及光催化活性高,是一种理想的环境友好型半导体材料,在解决能源危机和环境污染方面受到越来越多的关注。尽管TiO2优点诸多,但在实际应用中,仍然存在对可见光利用率低、光生载流子复合率高等不足,这极大地限制了TiO2大范围的实际应用。因此,采用适当的方法拓展TiO2的光谱吸收范围以及抑制光生电子和空穴的复合至关重要。主要采用固相法,围绕纳米TiO2光催化剂,通过复合及掺杂两种改性手段,以三聚氰胺（C3H6N6）、硝酸铋（Bi（NO3）3·5H2O）、硝酸镧（LaN3O9·6H2O）、工业二氧化钛（TiO2）为原料,制备了Bi4Ti3O12/Bi2O3/TiO2、Bi2O3/g-C3N4/TiO2、La掺杂TiO2/g-C3N4三种具有高效可见光催化活性的纳米复合光催化剂,并采用X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）、荧光光谱（PL）、透射电子显微镜（TEM）和N2吸附脱附分析一系列表征手段对制备的复合样品进行了表征。以亚甲基蓝为目标污染物,12W LED灯为光源,评价样品的可见光催化性能。主要研究内容如下:（1）以Bi（NO3）3·5H2O、工业TiO2为原料,采用一步固相法煅烧制得具有可见光催化活性的Bi4Ti3O12/Bi2O3/TiO2复合光催化剂。考察了不同Bi（NO3）3·5H2O与TiO2的比例、不同煅烧温度、不同煅烧时间对复合光催化剂可见光催化降解亚甲基蓝的影响,确定了样品制备的最佳条件为:TiO2与Bi（NO3）3·5H2O质量比为1:2.5,煅烧温度为600℃,煅烧时间为5 h。在该条件下制备的Bi4Ti3O12/Bi2O3/TiO2复合光催化剂在12W LED灯光照180 min后对亚甲基蓝的降解率达96.8%,比Bi2O3和纯TiO2高出40%、60%左右。通过一系列表征分析,结果表明Bi4Ti3O12/Bi2O3/TiO2复合光催化剂中存在锐钛矿TiO2、α-Bi2O3和钙钛矿相Bi4Ti3O12。相对于TiO2,复合样品荧光强度明显减弱、禁带宽度减小到2.6 eV,吸收带边明显红移。复合物样品中Bi3Ti4O12、Bi2O3和TiO2之间通过形成异质结,有效抑制了光生载流子的复合,提高了对可见光的吸收,增强了可见光催化性能。（2）以C3H6N6、Bi（NO3）3·5H2O、工业TiO2为原料,采用一步固相法煅烧制得具有可见光催化活性的Bi2O3/g-C3N4/TiO2复合光催化剂。考察了不同铋含量、不同C3H6N6与TiO2的比例、不同煅烧温度、不同煅烧时间对复合光催化剂可见光催化降解亚甲基蓝的影响,确定了样品制备的最佳条件为:铋含量为0.35%,工业TiO2与C3H6N6质量比1:2.5,煅烧温度为520℃,时间5 h。在该条件下制备的Bi2O3/g-C3N4/TiO2复合光催化剂在12W LED灯光照180 min后对亚甲基蓝的降解率达98.1%,而TiO2、g-C3N4和g-C3N4/TiO2光照180 min后对亚甲基蓝的降解率分别为19.9%、49.1%和66.1%。通过一系列表征分析,结果表明Bi2O3/g-C3N4/TiO2复合光催化剂中存在着g-C3N4、γ-Bi2O3及锐钛矿TiO2。相对于TiO2,复合样品荧光强度明显减小、禁带宽度减小至1.8 eV,吸收带边明显红移,复合后的样品叠加了g-C3N4和Bi2O3的可见光响应,使得对可见光的吸收增强。样品中呈长条形管状的γ-Bi2O3和片状的g-C3N4分散在TiO2颗粒表面,三者之间形成固-固异质结,电子和空穴通过在Bi2O3、g-C3N4和TiO2三者界面间的转移有效延长了光生载流子的寿命,显著提高了光催化活性。（3）以LaN3O9·6H2O、TiO2和C3H6N6为原料,首先分别通过马弗炉煅烧制备出不同含量La掺杂TiO2的样品和g-C3N4,再按一定比例通过甲醇混合La掺杂的TiO2样品和g-C3N4。考察了不同La掺杂量、不同g-C3N4与4%La掺杂TiO2（镧含量占TiO2的质量分数为4%）的比例对复合光催化剂可见光催化降解亚甲基蓝的影响,确定了样品制备的最佳条件为:La掺杂量为4%、g-C3N4与4%La掺杂TiO2的比例为2:1。在该条件下制备的La掺杂TiO2/g-C3N4复合光催化剂在12W LED灯光照180min后对亚甲基蓝的去除率达97%,而TiO2、g-C3N4和g-C3N4/TiO2样品对亚甲基蓝的去除率分别为19.7%、48.9%、66.4%。通过一系列表征分析,表明大部分的La分布于TiO2晶体间隙,形成Ti-O-La键。镧掺杂使TiO2表面氧空位增加,并在TiO2中形成起到捕获阱作用的活性捕获中心,通过捕获空穴有效抑制光生电子-空穴的复合;而且在TiO2中引入杂质能级,使TiO2禁带宽度变窄,光谱吸收范围变宽,光催化活性增强。同时,g-C3N4与La掺杂TiO2复合形成异质结,有效促使了光生电子-空穴分离进而提高了样品的可见光催化活性。