论文部分内容阅读
如何利用太阳能解决日益严重的环境污染问题已成为人们关注的焦点。光催化技术是以半导体光催化材料为基础,在温和、低能耗、环境友好的条件下发展起来的一种新型污染控制技术。理想的半导体光催化材料应具有合适带隙、光响应范围宽、光生电子-空穴产生、分离、传输效率高。然而,以TiO2为例的一些最常半导体并不是研究者们所期望的理想光催化剂。因为它们在与可见光光催化有关的过程中表现相当差,太阳光利用率低、载流子复合率高,这些问题都限制了它们的实际应用。因此,构建出具有优异的可见光吸收,高光量子产率的催化剂是非常必要的,但也极具挑战。本文通过超声喷雾（热解）法构筑了两种基于Ag纳米颗粒表面等离子体共振（LSPR）的复合光催化剂,并采用多种测试技术（X-射线衍射、X-射线光电子能谱、场发射扫描电镜、透射电镜、紫外-可见分光光度计、荧光光谱、电化学阻抗等）表征了所制备产物的结构、形貌、光学及电化学性能,通过可见光下降解有机污染物评价了材料的光催化性能,并研究降解机理。主要研究内容如下:1.银/卤化银（Ag/AgX（X=Cl,Br））等离子体复合光催化材料的制备及光催化性能研究通过简单的超声喷雾热解法,以硝酸银为Ag源、氯化钾（或溴化钾）为氯（或溴）源,一步合成了Ag/AgX等离子体光催化剂。成分及形貌表征表明,当管式炉温度为500℃时,单质Ag成功地从AgX表面剩余的硝酸银中原位析出,并均匀负载于AgX表面。通过降解有机污染溶液评价了Ag/AgX等离子体复合光催化剂的可见光光催化性能。降解数据表明,Ag/AgX复合物比单纯的AgX表现出更高的光催化活性。其中,光照9 min,Ag/AgCl对甲基橙（MO）的去除率将近100%,溶液中的总有机碳（TOC）含量下降了72%;光照8 min,Ag/AgBr对MO的去除率高达97.5%,溶液中的TOC含量下降了64%。在经过7轮重复降解实验后,Ag/AgX复合光催化剂的降解性能仍维持在一个较高水平。该复合材料光催化活性的提高主要得益于:（i）均匀分散的Ag纳米颗粒的LSPR效应拓宽了体系的光吸收范围,（ii）Ag纳米颗粒与高质量的AgX基体紧密接触,促进光生电子与空穴的迁移与分离。2.Ag/g-C3N4等离子体复合光催化材料的制备及光催化性能经由煅烧过程与改善的化学镀法构筑了Ag/g-C3N4/碳纤维纸（ACNT-iep）等离子体复合光催化剂,并研究了Ag纳米颗粒的分布及尺寸对g-C3N4光学、电化学及光催化性能的影响。SEM与TEM的结果表明,改善化学镀（IEP）策略制备的Ag纳米颗粒均匀分布在g-C3N4表面,平均颗粒尺寸为11 nm,比常规化学镀（CEP）所获得银颗粒的平均尺寸小了约2倍（21 nm）。超声喷雾营造的微液滴反应系统有效地减小了浓度梯度的影响,以微米级的液滴为反应单元,使Ag纳米颗粒在形核过程中难以发生二次团聚。在可见光照射下,ACNT-iep复合材料在亚甲基蓝（MB）的光催化降解过程中表现出最优的性能,其一级动力学常数分别是g-C3N4/碳纤维纸（CNT）和常规化学镀制备的Ag/g-C3N4/碳纤维纸（ACNT-cep）的12.67和2.54倍。引入的Ag纳米颗粒的LSPR效应有效的拓宽了光响应范围,促进了g-C3N4半导体内光生电子-空穴的生成、分离与传输效率。另外,光致发光（PL）和电化学阻抗谱（EIS）表明了小尺寸、均匀分布的Ag纳米颗粒强化了LSPR性能。最终,多方面的协同作用共同提高了ACNT-iep等离子体复合光催化材料光催化性能。