PVDF/CdS/Bi2WO6/ZnO杂化膜的制备及其对亚硝酸盐降解性能的研究

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亚硝酸盐是一种广泛存在于自然界中并且会对人体健康造成影响的无机污染物,当水体中的亚硝酸盐达到一定浓度时会造成人体急性中毒以至于死亡,所以探究去除水体中亚硝酸盐的方法具有非常重要的意义。光催化技术因其可以利用自然光或者可见光去除水体中的污染物而被认为是一种清洁而具有前景的处理方法。在近几年来Bi2WO6作为一类新型的含氧酸根半导体材料受到了广泛的研究和关注,因Bi2WO6具有独特的结构以及合适的带隙宽度从而表现出良好的光催化性能被广泛的应用于光催化领域。然而在研究中发现两个因素影响了其对于亚硝酸盐的降解能力。首先作为一种半导体材料对于可见光的利用率有限,因此对于全波段的太阳光利用效率受到了一定程度的限制。与此同时钨酸铋的电子和空穴复合程度较高,光生电子的活性受到了一定程度的限制进而对光催化性能造成了影响。如何有效的提升其对于可见光的利用效率以及限制光生电子与空穴对的复合就成为了提升钨酸铋材料光催化降解水体中亚硝酸盐的关键。因此本文通过水热法、沉积沉淀法以及超声分散法制备获得了一种新型的光催化剂Cd S/Bi2WO6/Zn O。通过将光催化材料与可见光驱动剂进行复合Cd S/Bi2WO6/Zn O对于可见光的吸收范围拓展至600 nm附近,能级带隙降低至2.17 e V。制备获得的光催化材料对于可见光的利用率获得了提升。。此外制备获得的光催化剂通过“导电梯带”的形式进一步限制了光生电子与空穴对的复合,从而解决了窄带半导体材料高复合率的问题。光生电子与空穴的复合受到了抑制,与此同时Cd S/Bi2WO6/Zn O的瞬时光电流强度达到了,制备获得的光催化材料具有较强的瞬时光电流响应性能。研究结果表明制备获得的光催化剂Cd S/Bi2WO6/Zn O在240 min内对于水体中亚硝酸盐的降解效率可达92.58%。在光催化反应进行的过程中往往会伴随着光催化剂的聚集从而导致的分散不均匀以及光催化反应结束后光催化剂回收利用效率较低等情况。因此将制备获得光催化剂进行固定化就成为了解决这一问题的关键。本文通过相转化法制备获得了PVDF/Cd S/Bi2WO6/Zn O的杂化光催化膜材料。当光催化剂添加量达3%时杂化膜材料孔隙率达到87.12%,制备获得的杂化膜材料具有丰富的多孔性能以及渗透性能。通过降解水体中亚硝酸盐的实验结果表明杂化光催化膜材料在240 min内降解效率略高于未固定化后的光催化剂。杂化膜材料在维持光催化剂性能的基础上解决了光催化剂的聚集以及分散不均匀等问题。在反应结束后,膜材料可以较为便捷的回收与利用保障了杂化光催化膜材料的循环利用性能。制备获得的光催化剂采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电镜(TEM)、能量色散X射线光谱(EDX)、X射线光电子能谱(XPS)、氮气吸附解吸对光催化剂的形貌结构特点、光催化剂的比表面积以及孔径大小分布情况、晶体类型以及化学组成进行了分析。通过固体紫外可见漫反射光谱(UV-DRS)对制备获得光催化剂的能级价带结构进行了计算分析。光致发光光谱(PL)以及光电流响应性能的测试分析了制备获得的光催化剂电子与空穴的复合情况以及光催化材料的瞬时光电流强度,以此评价光催化剂的光学性能。通过原子力显微镜测试以及膜材料孔隙率和粗糙度的测定来评价制备获得膜材料的表面形貌结构以及膜材料的亲水性能。此外通过对光照时间、电子-空穴清除剂、光催化环境、循环使用次数等因素的评价,分析了其对于光催化剂以及杂化膜材料降解水体中亚硝酸盐的活性以及效果的影响。对光催化剂以及杂化光催化膜材料的研究结果表明,复合可见光驱动的Cd S纳米粒子而制备获得的三元异质结构的半导体光催化剂不仅可以拓宽光催化剂对与可见光的响应范围与此同时通过“导电梯带”构成的电子通路限制了光生电子与空穴的复合提升了光生载流子的迁移效率,制备获得的三元异质结半导体材料的光催化性能获得了提升。通过制备杂化膜材料成功解决了光催化剂在光催化反应过程中分散不均匀且不易回收的问题。
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