氯氧化铋基光催化材料的制备及其性能研究

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当今社会经济飞速发展,为我们的生活带来了诸多便利,但随之衍生出的能源短缺与环境污染问题已经严重威胁到了人类的生存和发展。随着光催化技术的成熟与发展,光催化技术被认为是解决人类当前面临的能源与环境问题最有希望的方法之一。其中,氯氧化铋(BiOCl)光催化剂因具有优异的稳定性、良好的电子传输性、无光腐蚀以及高光活性等优点而受到了广泛关注。但BiOCl存在禁带宽度大、光生电子-空穴复合效率高和光量子效率低等问题,因此在实际应用中受到了一定的限制。针对BiOCl的这些特点,本文以BiOCl为研究对象,酸性红B(ARB)为目标降解物,通过贵金属沉积、元素掺杂以及构建异质结三种途径对BiOCl进行改性来提高光催化活性。考察了样品的相结构、微观形貌以及光催化性能,同时对光催化机理进行了初步探讨,得到以下结论:(1)以AgNO3为Ag源,通过溶剂热法在BiOCl表面沉积贵金属Ag制备了Ag@BiOCl光催化剂,Ag以直径为40 nm的球形颗粒形式存在。基于Ag的表面等离子体共振效应(SPR),成功将BiOCl的光响应范围拓展至可见光区域,降低了光生电子-空穴的复合效率,提高了电荷转移效率。在可见光下研究了Ag@BiOCl的光催化活性,结果表明,当Ag的含量为10wt%时,样品表现出了优异的降解ARB的特性,其降解速率常数为BiOCl的11倍。活性物种捕获试验结果表明,在光催化降解ARB过程中主要依靠空穴的氧化作用。(2)以KI作为I源,利用溶剂热法一步制备了一系列不同I-掺杂量的BiOCl1-xIx光催化剂,研究了其在可见光下光催化降解ARB的性能。结果显示,当x=0.4时,样品具有最佳的光催化性能,降解反应速率常数为BiOCl的24倍。BiOCl0.6I0.4光催化活性的显著提高可归因于比表面积的增大、较低的光生电子-空穴复合效率以及合适的禁带宽度。活性物种捕获实验结果表明,空穴是光催化反应过程中的主要活性物种。(3)将具有锐钛矿与金红石相混合晶相的TiO2与BiOCl0.6I0.4进行复合构建异质结。首先以TiCl4和尿素为原料通过水热法制备TiO2,再利用溶剂热法一步合成了BiOCl0.6I0.4/TiO2,研究其在可见光下光催化降解ARB的性能。结果显示,当n(Ti):n(Bi)=0.1时,样品具有最高的光催化活性,光照80 min后对ARB的降解率为95%。其光催化活性的增强可归因于具有较高的比表面积,较高的电荷转移效率以及较低的光生电子-空穴复合率。自由基捕获试验结果表明,在光催化反应降解ARB的过程中,主要依靠空穴的氧化作用。
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