可见光催化剂Bi2WO6改性及对污染物降解机理研究

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多相光催化氧化技术在污水处理方面展现出了巨大的应用前景,可直接利用太阳能降解多种污染物,灭菌消毒。最近,Bi系光催化剂如Bi2O2CO3、Bi2WO6、BiOI、BiPO4、BiVO4以及Bi2MoO6被大量研究。其中,Bi2WO6由于其独特的层状结构以及优良的带隙结构被广泛关注。然而,Bi2WO6带隙较宽以及对可见光吸收率低,从而使得光催化活性较低。基于Bi2WO6存在的优缺点,在保持其良好稳定性的前提下通过改性提高其光催化活性是值得重点研究的一个方向。基于可见光催化剂Bi2WO6,通过水热合成法,制备出了具有零价铋(Bi0)金属粒子沉积的Bi2WO6(Bi/Bi2W06-R)。改性后Bi/Bi2WO6-0.6的光催化活性是Bi2WO6的6倍。拉曼光谱(Raman)、电化学工作站以及X射线电子能谱(XPS)等表征手段证明Bi0成功沉积在Bi2WO6表面,形成了较强的界面相互作用。Bi0的存在使得Bi2WO6表面产生了部分缺陷,缺陷具有捕获电子的作用,可以抑制电子(e-)与空穴(h+)重组,使e-和h+能够有效的与污染物作用,或与H20或O2分子作用生成其他活性物种。捕获实验结果表明,光催化反应的活性物种主要是空穴(h+),还有部分活性物种为超氧自由基(O2·-)。为了进一步提高Bi2WO6的催化性能,采用非金属元素掺杂法对Bi2WO6进行改性,制备出碘插层钨酸铋(IR-Bi2WO6)。以2氯苯酚(2-CP)为目标污染物进行光催化降解确定出I0.30-Bi2WO6活性最佳,降解速率常数高达0.9240h-1,是Bi2WO6的3.1倍。首先,碘元素以-1价的形式取代Bi2WO6夹层间的氧原子,使得Bi2WO6的层间距增大,光生电子空穴复合受到抑制,分离效率增强;其次,I0.30-Bi2WO6降解污染物过程中的主要活性物种为h+,I插入改变了Bi2WO6体系中Bi3+,W6+和O2-的电荷分布,调节了催化剂价带和导带的电位,I0.30-Bi2WO6价带(VB)的电势电位更高,产生的h+具有更强的氧化能力;最后,I0.30-Bi2WO6的比表面积(66.7 m2g-1)是Bi2WO6(25.2 m2 g-1)的2.6倍,比表面积的增大会为光催化过程提供更多的活性位点。I0.30-Bi2W06可实现多种污染物的完全降解,比如罗丹明B(RhB)、双酚A(BPA)、环丙沙星(CIP),磺胺甲恶挫(SMZ)和苯酚(phenol),表明I0.30-Bi2WO6适用于污水中各种污染物的降解。本研究基于可见光催化剂Bi2WO6,通过不同方法进行改性,在保证稳定性能优良的基础上显著提升了 Bi2WO6催化性能。
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