卤氧化铋异质结纳米材料的制备及其可见光催化性能研究

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BiOX(X=Cl、Br、I)作为一种经济高效的光催化剂在用于能源转换和环境治理方面引起了人们的广泛关注。光催化剂对可见光的吸收能力,对污染物的吸附程度,以及光生电子和空穴的分离传输效率都会影响其可见光催化效率。通过构筑异质结可有效提高光催化剂的比表面积以及光生电子和空穴的分离效率。本篇论文综述了光催化技术的发展以及BiOX的研究进展,通过与新型半导体光催化剂g-C3N4和传统半导体光催化剂TiO2材料复合形成异质结来提高光催化活性。本文首先采用溶剂热法合成卤氧化铋三卤固溶体(BiOXs),使用热聚合法制备了g-C3N4,由于g-C3N4本身表面惰性很难与其他物质进行复合。因此,采用H2O2对其表面进行羟基化处理,以期改善表面活性。然后,采用溶剂热法合成了系列BiOXs与羟基化的g-C3N4复合异质结(BiOXs/x%g-C3N4(OH),x=0.5、1.0、1.5、2.0、5.0)。通过X射线衍射仪(XRD)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)对样品进行形貌和组成表征,发现样品均成功制备。通过紫外-可见漫反射光谱(DRS)和荧光光谱(PL)对其进行光学性能表征,发现复合之后禁带宽度得到改善,并且BiOXs/1.0%g-C3N4(OH)异质结的光生载流子分离效率最好。通过降解模拟污染物20 mg/L甲基橙测试制备样品的光催化性能,发现在所制备样品中BiOXs/1.0%g-C3N4(OH)的降解效率最高,降解率达到67%。然后,通过溶剂热一步原位复合法制备了BiOXs与TiO2异质结光催化剂(BiOXs/x%TiO2,x=0.1、0.25、0.5、1.0、1.5、2.0)。通过XRD、SEM、EDS、XPS对样品进行了形貌表征,证明成功制备了各种异质结。采用DRS和PL进行表征,发现复合样品禁带宽度均减小,荧光强度最低的是BiOXs/1.0%TiO2。通过降解20 mg/L甲基橙、15 mg/L双酚A和30 mg/L四环素可知,对所有模拟污染物降解效率最高的均为BiOXs/1.0%TiO2,降解效率分别为92%、72%和90%。通过BET、ESR分析和自由基捕获实验可知,在光催化降解过程中起主要作用的活性自由基是光生空穴(h+),其次是超氧自由基(·O2-),作用最小的是羟基自由基(·OH)。说明形成异质结后有利于改善禁带宽度,提高光生电子和空穴的分离效率,提高可见光催化活性。
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