可见光响应Bi2WO6光催化剂的制备及性能研究

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钨酸铋(Bi2WO6)是一种新型的可见光响应光催化材料,其禁带宽度窄(2.7eV),在紫外和可见光下都具有良好的光催化活性,能有效降解废水中的有机污染物,受到了研究者的广泛关注。本文以硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O)和钨酸铵为原料,研究了制备新方法、生物模板剂及石墨烯负载对钨酸铋光催化材料的结构、形貌、晶粒、载流子分离效率及吸光性能的影响,揭示影响钨酸铋光催化活性的机理及其本质,为制备高催化活性的光催化剂提供了理论依据。主要研究内容如下:(1)以EDTA为凝胶剂,采用凝胶-溶胶-水热法在水热温度为220℃,水热时间为24h的条件下制备出花状微球结构的Bi2WO6纳米材料。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和紫外-可见漫反射光谱(DRS)对Bi2WO6的结构、形貌及光学性能进行分析,提出了该花状微球结构的可能形成机理。以亚甲基蓝溶液(MB)为模拟染料废水,研究了不同制备方法对Bi2WO6光催化性的影响,结果表明,采用溶胶-凝胶-水热法所制备的Bi2WO6光催化剂表现出最高的光催化活性,这可能与其特殊的3D花状微球结构、较大的比表面积及在紫外和可见区域内具有良好的吸收有关。此外,凝胶-溶胶-水热法所制备的Bi2WO6光催化剂经多次光催化循环使用后仍具有很高的光催化活能,在废水处理方面展现出良好的工业应用前景。(2)以1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([BMIM][BF4])离子液体为模板剂,采用离子液体辅助水热法制备出Bi2WO6/石墨烯复合光催化材料,研究了石墨烯的负载量及离子液体的添加对产品光催化活性的影响,得出了适宜的制备条件,阐明了石墨烯和离子液体对产品光催化活性的影响机理。研究结果表明,离子液体的添加可以制备出具有较大比表面积、鸟巢结构Bi2WO6光催化剂,该催化剂对罗丹明B模拟染料废水的降解表现了很高的光催化活性。石墨烯的引入可以有效增强Bi2WO6复合光催化剂对可见光的吸收、增大其比表面积和提高催化剂中电子和空穴的分离速率,进而提高其光催化活性。当石墨烯的负载量为5.0wt%,鸟巢结构Bi2WO6/石墨烯复合光催化剂表现出最高的光催化性能,经300W氙灯照射120min,罗丹明B染料脱色率可达99.3%。(3)以鸡蛋清为生物模板采用溶胶-凝胶法制备钨酸铋光催化材料,在煅烧温度为500℃,煅烧时间为2h的条件下得到具有高催化活性的片状钨酸铋光催化材料。探讨了鸡蛋清对产品结构和形貌的影响,结果表明,加入蛋清可得到薄片结构的Bi2WO6光催化剂,不加蛋清所得Bi2WO6样品的形貌为不规则的块状结构聚集体。在反应过程中,蛋清作为稳定剂和凝胶剂可以阻止纳米颗粒的聚集,降低晶体的生长速率,有利于得到形貌均一的产物。薄片结构的Bi2WO6光催化剂具有较大的比表面积和较低的电子-空穴复合速率,因而表现出良好的光催化活性,经300W氙灯照射120min,罗丹明B染料脱色率可达91.%。
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