基于钛酸铋的复合材料设计与光催化性能研究

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当今社会,人类在不断发展的同时,也面临了两个极其严峻的挑战,即能源短缺和环境污染。如何解决这两大问题是人类社会可持续发展的一大考验。在人类生产生活中所产生的抗生素废水、重金属废水等具有组成复杂、有机污染物浓度高、毒性大、难生物降解等特点,如果不经过处理直接排放,将会对水环境及生物造成极大威胁。光催化技术作为一种催化活性高且稳定性好的新型绿色环保技术,被普遍认为是解决水污染环境问题的有效途径之一,而且其具有高效率、低成本、无污染、能够将太阳能转化为化学能等特点。钙钛矿型钛酸铋(Bi4Ti3O12)是一种宽禁带半导体,因其独特的层状晶体结构和良好的铁电、光电性能,在光催化领域一直是学者们研究的热点之一。但因其带隙大及电子-空穴对的高复合率,单纯将Bi4Ti3O12作为光催化剂其光催化效率较差。在本论文中,通过熔盐法制备了Bi4Ti3O12光催化剂,然后将其与银基材料复合得到异质结复合材料,在可见光下研究其光催化性能,本文主要研究内容如下:(1)将钛酸铋与磷酸银复合制备了Ag3PO4/Bi4Ti3O12异质结复合材料,采用抗生素磺胺甲恶唑(SMX)对所制备的样品的光催化活性及稳定性进行了研究。结果显示,随着复合材料中Ag3PO4含量增加,光催化活性也随之提高,当比例达到20%时,表现出了最佳的光催化性能,其表观速率常数与纯的Bi4Ti3O12及Ag3PO4相比分别提高了124倍和1.3倍。XPS结果显示,复合材料的结合能发生了偏移,可以归因于Bi4Ti3O12与Ag3PO4之间的相互作用,这表明两个组分之间成功地形成了异质结。PC和EIS测试表明,复合样品具有更好的电子空穴分离和转移效率,从而提高了复合样品的光催化活性。此外,通过自由基捕获实验可知,在光催化降解SMX过程中,空穴(h+)起主要作用。(2)通过原位生长法制备了Ag2CO3/Bi4Ti3O12异质结复合材料,当Ag2CO3与Bi4Ti3O12复合比例为20%时,呈现出了最高的还原重铬酸钾(PD)溶液中的六价铬Cr(VI)的光催化性能。最佳样的表观速率常数是纯Bi4Ti3O12与Ag2CO3的4.9倍和35.6倍。循环实验结果表明最佳样具有良好的稳定性和可回收性。通过各类表征和实验结果可知,二者复合构成了直接Z型光催化体系,促进了载流子的分离,从而提高了复合样品对六价铬的还原性能。
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