银基半导体光催化剂的制备及其可见光催化性能研究

作者
王宁宁;
摘要
近几十年来,随着经济和社会的发展,能源和环境问题逐渐受到社会各界的密切关注。半导体光催化技术可以充分利用太阳能光解水制氢、净化空气、降解有机污染物以及还原二氧化碳,是解决能源短缺和环境污染的重要手段。因此,科学家们在开发高效的半导体光催化材料方面做了大量研究,其中Ti02因稳定性好、无毒、低廉等特性受到广泛关注。然而,在实际应用中Ti02因量子产率低、能带隙较宽,仅能吸收4%的太阳光等缺点,限制了其实际应用。因此,开发高效、可吸收可见光或太阳光的光催化剂成为半导体光催化研究领域的热点话题。在过去的几十年里,银基半导体材料,如:Ag3PO4, AgVO3, Ag2O, AgX (AgCl, AgBr, AgI)等,因其具有较强的可见光吸收和高的量子产率等优点,在光催化领域备受广泛关注。然而单一的半导体材料因不充分的电荷分离和光敏感性,在可见光范围内光催化活性较差。为了解决这一难题,研究人员制备了各种各样的复合半导体材料,如TiO2/Ag3PO4, Ag3PO4/MoS2, AgCl/BiOCl, AgVO3/g-C3N4等。大量的研究表明,多组分的复合材料在光催化降解有机污染物方面优于单一组分光催化剂,这主要归因于匹配的能带隙结构提高了光生电子空穴的有效分离和增强了对可见光的吸收。基于以上思路,本论文从三个方面进行了探索:(1)制备AgVO3/AgI复合光催化剂;(2)制备TiO2-x纳米片/Ag/Ag3PO4复合光催化剂;(3)制备氧化石墨烯GO/Ag3PO4/g-C3N4复合光催化剂。具有研究内容如下:一、利用AgNO3和NH4VO3水热合成AgVO3,通过调节KI浓度,合成了不同摩尔比的AgVO3/AgI。随着KI浓度的增加,AgI负载量随之增加,AgVO3吸收边带略微红移。根据在可见光下光催化降解碱性品红的结果可得,当AgVO3和AgI摩尔比为3:1时,AgVO3/AgI表现出最优的光催化活性,是单一AgVO3的4.5倍,是单一AgI的9倍。最后,根据实验结果推测出可能的反应机理。二、首先利用钛酸四丁酯作为钛源,氢氟酸作为结构导向剂水热合成Ti02纳米片(TiO2-NS),利用氧化法在TiO2-NS表面形成氧缺陷,然后利用TiO2-x-NS的还原性水热还原AgNO3形成TiO2-x-NS/Ag,再利用一步沉淀法合成TiO2-x-NS/Ag/Ag3PO4。在可见光照射下,通过降解50 mL,10mg/L亚甲基蓝溶液考察不同光催化剂的光催化活性。TiO2-x-NS/Ag/Ag3PO4光催化剂表现出最优的光催化活性,其反应速率远远大于Ag3PO4和TiO2-x-NS/Ag3PO4。 TiO2-x-NS/Ag/Ag3PO4光催化活性的提高归因于Ag的表面等离子体共振效应和TiO2-x-NS 与 Ag3PO4之间匹配的能带结构,提高了光催化剂对可见光的吸收和有效的光生电荷分离。三、根据之前的研究表明,氧化石墨烯表面有很多带负电的羟基和羧基,可以吸附阳离子Ag+,而g-C3N4可以被Na2HPO4磷酸化,因此可以利用一步沉淀的方法合成氧化石墨烯(graphene oxide, GO)/Ag3PO4/g-C3N4复合物。在可见光下降解罗丹明B的结果表明,GO/Ag3PO4/g-C3N4表现出最优的光催化活性,光催化速率是单一Ag3PO4的8倍,是单一g-C3N4的162倍。光催化活性的提高归因于光生电子和空穴分别转移到GO和S-C3N4,而GO不仅可以提高对可见光的吸收又可以增强对染料分子的吸附。除此之外,GO/Ag3PO4/g-C3N4复合物的稳定性优于Ag3P04。捕获剂实验表明GO/Ag3PO4/g-C3N4复合物在光催化降解有机物过程中的主要活性物种是空穴和超氧基自由基。根据GO/Ag3PO4/g-C3N4的能带结构和光催化结果推测出可能的反应机理。
关键词/主题词
多组分催化剂;可见光激发;银基半导体材料;AgVO_3/AgI;TiO_(2-x)-NS/Ag/Ag_3PO_4;GO/Ag_3PO_4/g-C_3N_4;光催化机理
页数
85
出版日期
2016-05-01
学位授予单位
华东师范大学
学位年度
2016
学位
硕士
导师
丁旵明
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