【摘要】：光催化技術(shù)是一種環(huán)境友好型的技術(shù),能利用太陽能實(shí)現(xiàn)光降解目標(biāo)污染物和光催化分解水產(chǎn)氫。半導(dǎo)體光催化技術(shù)用于環(huán)境治理可以除去高毒性、低濃度、難以自降解的污染物,具有污染物除凈度高、無二次污染的優(yōu)勢。因此,光催化技術(shù)用于水體污染物的治理,因其綠色環(huán)保及可再生的優(yōu)勢引起了科研工作者的廣泛關(guān)注。本論文主要以熔鹽法為合成手段,成功制備了幾種鉍鉭基光催化材料,系統(tǒng)地研究了其形貌組成、晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、能帶組成及光電化學(xué)性質(zhì)對(duì)光催化性能影響。采用簡單熔鹽法,制備了暴露{010}晶面BiTaO4單晶納米片(BiTaO4 SCNs)光催化劑,該催化劑不但具有優(yōu)異的降解Rh B和苯酚的活性,而且能夠分解水產(chǎn)氫。通過紫外可見漫反射、XPS價(jià)帶譜和莫特-肖特基測試確定了其能帶位置。幾何計(jì)算得到{010}面占比達(dá)到86%,晶體結(jié)構(gòu)分析表明{010}晶面終止原子為氧原子。利用DFT理論計(jì)算發(fā)現(xiàn),其價(jià)帶是由O 2p軌道構(gòu)成,而導(dǎo)帶是由Ta5d和O 2p軌道雜化組成,大量氧原子暴露使其價(jià)帶和導(dǎo)帶位置上移。BiTaO4SCNs導(dǎo)帶的升高使其光生電子不但表現(xiàn)出優(yōu)異的還原Cr(Ⅵ)的活性,而且能還原水中的H+產(chǎn)氫。利用混合熔鹽法,制備了暴露{001}晶面的Na0.5Bi2.5Ta2O9單晶納米片(NBTO SCNs)光催化劑。在模擬太陽光下,NBTO SCNs具有優(yōu)異的降解Rh B和四環(huán)素活性,在可見光下能夠發(fā)生比較劇烈的染料敏化反應(yīng)。同時(shí)其具有良好的分解水制氫活性和穩(wěn)定性。理論計(jì)算結(jié)果表明其價(jià)帶是由O 2p軌道構(gòu)成,而導(dǎo)帶是由Ta 5d軌道組成。NBTO SCNs屬于典型的層狀鈣鈦礦化合物,NBTO SCNs鈣鈦礦層A位存在混合陽離子(Na+和Bi3+),A位局部電荷不平衡引起晶體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,在晶體內(nèi)部沿[001]方向產(chǎn)生強(qiáng)的自發(fā)極化作用。有利于光生載流子在極化方向快速分離,增強(qiáng)了光催化活性。通過一步混合熔鹽法,制備了Na0.5Bi2.5Ta2O9/Bi4Ta O8Cl-n(NBTO/BTOC-n)異質(zhì)結(jié)光催化劑,實(shí)現(xiàn)了BTOC納米片在NBTO納米片表面的原位生長。該催化劑在模擬太陽光和可見光下都具有優(yōu)異的降解Rh B的性能,自由基捕獲實(shí)驗(yàn)表明空穴和超氧自由基在下降解性過程中起主要作用。利用單色光照射的染料敏化性能測試發(fā)現(xiàn),NBTO/BTOC-n異質(zhì)結(jié)染料敏化作用主要是由NBTO引發(fā)的。電化學(xué)交流阻抗和熒光光譜測試表明異質(zhì)結(jié)的形成明顯增強(qiáng)了光生載流子的分離效率。采用混合熔鹽法制備了NBTO(Na0.5Bi2.5Ta2O9)納米片、尿素?zé)峋鄯俺曁幚淼玫绞鄃-C3N4納米片,并通過乙醇分散法成功制備了Na0.5Bi2.5Ta2O9/g-C3N4-n(NBTO/g-C3N4-n)異質(zhì)結(jié)光催化劑。在可見光下,NBTO/g-C3N4-4異質(zhì)結(jié)對(duì)Rh B降解率可達(dá)99.8%。UV-vis DRS分析表明g-C3N4的引入使催化劑光吸收擴(kuò)展至可見光范圍,SEM、TEM和FT-IR測試表明兩相是以面-面接觸的方式復(fù)合。此外,電化學(xué)交流阻抗和熒光光譜測試說明NBTO納米片與石墨相g-C3N4納米片2D-2D的結(jié)合方式能夠快速傳導(dǎo)光生載流子,進(jìn)而增強(qiáng)了光催化活性。催化活性對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明,NBTO/g-C3N4-4相對(duì)于幾種二氧化鈦類(P25、N-TiO2和Zn,N-TiO2-x)、BiTaO4 SCNs、NBTO SCNs和NBTO/BTOC-10,具有最好的催化降解RhB的活性。
【圖文】：

達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的目標(biāo)。因此，研究和開發(fā)新型高效地用于環(huán)境治理和新能源開發(fā)具有重要意義。反應(yīng)的基本原理料是一類常見的半導(dǎo)體，具有半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)特子充滿狀態(tài)的價(jià)帶(VB)和無電子填充的導(dǎo)帶(CB)，帶寬度稱之為禁帶寬度(Eg)。如圖 1-1，在光催化過劑上的光能大于半導(dǎo)體禁帶寬度時(shí)，半導(dǎo)體價(jià)帶上，在價(jià)帶位置上產(chǎn)生一個(gè)空穴，在半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生子和空穴對(duì)會(huì)發(fā)生兩個(gè)主要過程：(1)電子和空穴在熱量或者以熒光的形式釋放能量；(2)電子和空穴從成的電子具有強(qiáng)的還原能力，空穴具有強(qiáng)的氧化能穴和電子會(huì)與催化劑表面的受體物質(zhì)(如有機(jī)物、應(yīng)。由上述兩個(gè)過程可知，在光催化過程中電子和應(yīng)的發(fā)生。

第 1 章 緒 論近年來，隨著大量新型高效光催化材料的開發(fā)，光催化技術(shù)從基于實(shí)驗(yàn)室理論研究逐漸走向?qū)嶋H應(yīng)用階段，成為了科學(xué)研究領(lǐng)域最熱點(diǎn)的研究方向之一[23]。目前，，已有大量的光催化材料被開發(fā)報(bào)道，已經(jīng)應(yīng)用于光催化殺菌除毒、室內(nèi)空氣清潔、有機(jī)物合成、自清潔抗菌玻璃、牙齒美白等領(lǐng)域[24]。如圖 1-所示，不同催化劑由于其能帶位置的差異，而其適用的催化反應(yīng)不盡相同。光催化反應(yīng)的研究主要涉及光催化降解有機(jī)污染物，光催化分解水制氫，光催化還原 CO2為有機(jī)燃料等方面。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O643.36;TB383.1

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本文編號(hào)：2702599