富氧型铋卤氧化物Bi5O7I纳米结构的改性及其光催化性能研究

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近年来,由于其独特的原子排列而形成的层状结构有利于光生电子的传输,铋基卤氧化物光催化剂引起了广大研究者的关注。其中,由于富氧型铋基卤氧化物独特的化学成分比例和晶体结构可以极大地影响其能带结构、光学特性以及光生电荷的分离,因此,不同原子比例的铋卤氧化物,其光催化性能差异很大。Bi5O7I作为富氧型铋基卤氧化物中的一员,因与BiOI具有相似的晶体结构且具有合适的价、导带位置而深受关注。本文采用溶剂热-热分解法,对以Bi(NO3)3·5H2O和KI为原料合成的纳米球形纯相BiOI在480℃进行煅烧2h,得到了介孔微球状的纯相Bi5O7I。为提高纯相Bi5O7I的光催化活性,本文又分别采用贵金属纳米颗粒的等离子体共振效应、稀土离子掺杂诱导相变形成异相结构和形成纳米异质复合结构来对Bi5O7I进行改性,主要进行了以下几方面的工作:(1)利用化学沉淀法制备出了具有等离子共振效应的Ag/AgI/Bi5O7I介孔微球,微球直径为2-4um。并对样品相结构、微观形貌、光学特性等方面进行了表征,通过XRD分析,Ag/AgI/Bi5O7I复合样品中的AgI为β相结构;通过透射电镜观察,直径为10-15nm的AgI颗粒负载在Bi5O7I微球的纳米片上;通过吸收光谱计算得出,复合样品的禁带宽度随AgI含量增加而逐渐减小。以RhB染料为目标污染物,在LED灯模拟的可见光照射下进行了光催化性能测试,结果发现,S2-Ag/AgI/Bi5O7I样品对初始浓度为10mg/L的RhB溶液的降解率在60min内可以达到90%以上,相比较纯相Bi5O7I样品,其光催化性能提升了 30%以上。(2)以Er(NO3)3·6H2O为铒源制备了稀土离子Er3+离子掺杂的Er-Bi5O7I纳米介孔微球。通过一系列的测试手段对所制备样品进行了结构、形貌、光学性能等多方面的分析。研究发现,随着Er3+离子含量的增加,所制备样品的XRD衍射峰逐渐由α-Bi5O7I向β-Bi5O7I转变。通过对样品进行上转换发光测试发现,样品中出现了 Er3+离子的上转换发光特征峰。在LED灯模拟的可见光照射下,5%Er-Bi5O7I样品对不同类型的染料(10mg/L的RhB、MO和MB溶液)都表现出最佳的光催化性能。并且,在LED灯630nm单色红光照射下,5%Er-Bi5O7I样品对10mg/L的RhB溶液依然表现出较好的光催化活性,说明了 Er3+离子可以通过上转换作用将低能量光子转变为高能量光子进而提高样品的光催化性能。(3)为了进一步提高Er-Bi5O7I催化剂的光催化活性,通过将5%Er-Bi5O7I样品与g-C3N4进行复合,制备了 Er3+离子掺杂和g-C3N4复合协同作用的C3N4/5%Er-Bi5O7I介孔微球。g-C3N4与5%Er-Bi5O7I形成的异质结结构,有效地提高了 5%Er-Bi5O7I的光催化活性。通过SEM可以观察到,由于g-C3N4的聚合作用,C3N4/5%Er-Bi5O7I变得团聚。光催化性能测试发现,g-C3N4适量时,S3-C3N4/5%Er-Bi5O7I表现出最强的光催化活性。在LED灯模拟的可见光照射下,S3-C3N4/5%Er-Bi5O7I样品对初始浓度为20mg/L的双酚A(BPA)溶液的降解率在21min内可以达到98%。并且,在循环催化8次后,样品对双酚A溶液的降解率依然可达到90%,说明样品具有很好的稳定性。通过对样品催化过程中活性物种的检测,推断出了 C3N4/5%Er-Bi5O7I样品的光催化机理。
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