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卤氧化铋BiOX（X=Cl,Br）复合光催化剂的合成及性能研究

花匠小妙招
2024-11-09 00:27

【摘要】： 针对社会经济发展带来的能源短缺、温室效应和环境恶化等问题,开发清洁新能源、减少二氧化碳等温室气体的排放、CO_2转化为可利用的碳氢燃料、降解水体和固体垃圾等就成为亟待解决的科学问题。为减少不可再生能源的消耗,人们希望可以充分利用自然界中可再生资源,比如生物资源、气候资源等,这些资源或可以短时间内再生或者具有自我复原特性,是能够被持续利用的清洁的自然资源。太阳能,是自然界中丰富的非化石能源,且不需昂贵的设备采集也不需要运输;随着半导体研究的发展,研究者们不断扩展了半导体的应用范围,其中利用半导体将太阳能转化为化学能的研究逐渐成为可再生能源利用和新能源生成的热门科研课题。本文在阅读大量国内外相关文献的基础上,展开了对半导体材料卤氧化铋BiOX的复合研究。采用多种合成方法,通过控制各种实验参数的方式最终得到了多种BiOX基复合半导体材料,发现异质结构在分离载流子、抑制其再复合方面发挥着重要的作用,能够有效扩展光吸收范围并提高光催化效率。研究表明,所制备的复合光催化剂性能稳定,可以重复多次使用,具有实际应用价值。研究内容及相关结论包括:(1)采用水热合成法制备了g-C_3N_4/BiOCl复合纳米圆片,XRD和SEM分析结果表明,g-C_3N_4粉末的添加抑制了BiOCl的生长,复合半导体的表面粗糙,分布着一些超薄g-C_3N_4纳米片;紫外可见漫反射光谱证实,g-C_3N_4的复合将紫外光响应的BiOCl的吸光范围扩展到可见光区;30分钟内降解RhB的实验显示,复合催化剂的光催化降解效率高于纯BiOCl的2倍,而多次循环使用后降解效率减小有限且降解前后XRD谱图无明显变化,说明催化剂性能稳定且光照不会破坏其结构稳定性。(2)采用沉积-沉淀法,借助超声震荡的辅助作用,制备了不规则g-C_3N_4/BiOCl纳米片状复合光催化剂。XRD测试结果表明,g-C_3N_4的添加不仅对BiOCl的晶粒尺寸有影响,不同的添加量还可以得到不同裸露面的BiOCl纳米片。光催化降解实验表明,BiOCl纳米片的裸露晶面对降解效率有影响但不明显;而关键性影响因素为异质结构对光生电子空穴对的分离效率,其次是有色染料RhB的间接光敏化作用。(3)利用共沉淀法结合后续水热处理,合成了多孔的BiOCl/BiVO_4微纳米片,随着水热时间的延长,微纳米片自组装成花状微米球。对比BiVO_4和复合BiOCl/BiVO_4的SEM照片可以看出,相同合成条件下的BiVO_4为树枝状颗粒,而含盐酸的体系就得到了片状的复合半导体颗粒,于是推测具有层状结构的BiOCl在微纳米片的形成过程中起结构导向剂的作用。相对于纯BiOCl和BiVO_4在紫外可见漫反射光谱上360 nm和520 nm处的吸收边,所有的复合物的吸收边在可见光区都展示出扩展的趋势。通过对光催化作用的评估,验证了表面结构(多孔,多级结构)和异质结构提高了光诱导电荷的有效分离。(4)将预先合成的BiOCl分散到去离子水中,添加不同质量的KBr,调节体系的酸度,通过水热合成法得到了板状BiOCl/BiOBr复合催化剂。扫描电镜照片显示,同一水热条件下得到的BiOCl是由表面粗糙的纳米片组成的花球,多级结构过于紧凑,不利于孔道结构的形成,且样品呈现团聚现象;而通过原位等离子交换等过程在BiOCl表面形成BiOBr复合后,所得样品为表面比较光滑的板状结构。通过催化降解RhB和2,4-二氯苯酚、活性基团猝灭实验得出结论:复合催化剂在催化过程中产生了具有氧化性能的超氧自由基和羟基自由基,且空穴与参与氧化降解有机物的反应;且BiOBr的复合确实提高了BiOCl的催化作用效率。

【学位授予单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017

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