铌酸盐材料结构调控及其增强压电催化性能研究

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压电材料通过收集环境中分散机械振动能(流水、震动、噪声等)即可诱导产生表面电荷,进而引发一系列催化反应,在环境治理、空气净化及能源转换领域中有着重要的应用前景。然而目前绝大部分的压电催化材料由于力生载流子复合速率快和机理不清晰,严重阻碍了其进一步的发展与应用。因此,探索发展具有力-电响应的高活性压电催化材料很有必要。铌酸盐(Na0.5K0.5NbO3/KNbO3)压电材料具有优异的压电性能、成本低廉和制备工艺简单等优点而吸引了大量研究者的兴趣。本文以Na0.5K0.5NbO3/KNbO3压电材料为研究对象,系统研究了晶粒尺寸效应、相界效应以及二维材料复合效应增强压电催化的活性与机理。首先,采用固相法合成了Na0.5K0.5NbO3(NKN)材料并获得了平均晶粒尺寸在0.16μm~1.19μm的粉体。然后在不同电场下极化NKN,对NKN的压电催化活性进行了深入的研究。在超声振动作用下,极化后的NKN压电催化活性显著提高,对罗丹明B(Rh B)染料分子的降解活性比未极化的样品提高了253%。此外,在平均粒径为0.29μm的NKN材料上获得了优异的压电催化活性,经过160min的超声振动,Rh B(5 mg/L)降解率高达95.7%。进一步,通过在NKN材料中构建正交和四方共存的相界,并系统地研究了其化学组成、相结构、电化学性能和催化性能之间的关系。当压电材料处在两相共存的相界处(LNKN6,6 mol%Li掺杂NKN),表现出优异的压电催化性能,对有机污染物的降解具有良好的重复性和普遍适用性。LNKN6经过100 min的超声催化反应速率常数高达25.16×10-3 min-1,是NKN的3.20倍。通过联合Landau-Ginsburg-Devonshire唯象理论和Comsol动态模拟,建立了相界增强的压电催化机理。最后,通过简单的两步水热法在片状KNbO3表面负载MoS2纳米片,合理地构建了2D/2D KNbO3/MoS2异质结构催化剂,并探讨了2D/2D压电催化剂的结构与性能之间的关系。以KNbO3/MoS2异质结为双功能压电催化剂,超声振动同时降解盐酸四环素(TC)和Rh B,在30 min内的反应速率常数分别为0.085 min-1和0.092 min-1。KNbO3/MoS2异质结在ESR谱中显示·O2-和·OH两个特征信号与单独的KNbO3(仅·O2-)和MoS2(仅·OH)相比有了很大改善,给出了2D/2D异质结高效双功能催化活性的原因。
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