氧化铋及氧化锌掺杂氧化铋的光催化剂的制备与降解甲基橙的研究

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能源问题和环境污染问题正在严重的威胁着人类可持续的发展。光催化氧化技术因其具有能直接利用光能,条件温和,处理过程清洁等众多的优点,而在水处理领域当中具有较为广泛的应用前景。在众多的光催化剂半导体当中,Bi2O3半导体因禁带相对较窄,其在可见光范围具有一定的光催化效应,但为了进一步扩展其在可见光范围内的响应强度和范围,对其进行金属掺杂改性是十分有必要的。本文以ZnO作为改性剂,掺杂改性了Bi2O3光催化剂,同时还对该光催化剂的结构进行了表征和光催化效果进行了检测。(1)采用水热法分别合成制备得到了未掺杂的Bi2O3和ZnO光催化剂。测试表明未掺杂的ZnO光催化剂主要六方晶型结构,禁带宽度为3.06 eV。而Bi2O3光催化剂则为片状单斜相的α-Bi2O3结构,禁带宽度为2.87 eV。(2)分别通过水热法和溶胶-凝胶法制备得到ZnO掺杂改性的Bi2O3光催化剂。测试结果表明不同的ZnO掺杂量对两种方法制备光催化剂的XRD,SEM、UV-Vis和BET都存在较大影响。采用两种方法所得到的掺杂改性光催化剂为混晶结构;当Zn/Bi=0.03时,两种方法所制备的ZnO掺杂Bi2O3光催化剂的禁带宽度最小,其禁带宽度分别为2.76 eV和2.79 eV。SEM和BET测试结果显示,当Zn/Bi=0.03,两种方法所制备光催化剂的比表面积达到最大,光催化剂颗粒粒径最小。(3)通过甲基橙光催化降解实验,研究发现,未掺杂的Bi2O3和ZnO光催化剂最佳的催化剂投入量为:100 mL浓度为15 mg/L甲基橙中所用的Bi2O3为0.06 g,ZnO为0.08 g。而甲基橙降解初始浓度最佳为15 mg/L。(4)分别将采用水热法和溶胶-凝胶法制备得到的ZnO的掺杂Bi2O3光催化剂用于甲基橙废水的降解实验当中,研究显示,当水热法制备的光催化剂的用量为0.06g/100mL甲基橙溶液,降解1h,ZnO掺杂量为Zn/Bi=0.03,催化剂制备时的水热温度为160 ℃,溶液的pH=1-3,光催化剂显示出较好的光催化降解效果,其最佳的光催化降解率可达98.89%。而当溶胶-凝胶大制备光催化剂的用量为0.08 g/100mL甲基橙溶液,ZnO掺杂量为Zn/Bi=0.03,光催化剂煅烧温度为400 ℃,溶液pH=3,光催化剂显示出较好的光催化降解效果,其最佳的光催化降解率可达95.13%。水热法制备氧化锌掺杂氧化铋光催化剂比采用溶胶-凝胶法更具有优势。不同光催化剂的光催化效果高低为:ZnO掺杂Bi2O3>Bi2O3>ZnO。
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