【摘要】：中國(guó)為釩產(chǎn)業(yè)大國(guó),含釩礦物儲(chǔ)量與釩產(chǎn)品產(chǎn)量均居于世界首位,但目前釩系產(chǎn)品的生產(chǎn)和應(yīng)用均以大宗釩產(chǎn)品為主。為滿足中國(guó)釩產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要需求,亟需開發(fā)高附加值的含釩產(chǎn)品并拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。光催化同時(shí)利用光與催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行強(qiáng)化,可用于污染物降解過(guò)程。釩酸鉍(BiVO_4)是一種在可見光照射下具有光催化活性的材料,因而本論文選擇了該含釩化合物為研究對(duì)象,通過(guò)材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備工藝研究,提高其在可見光照射下的光催化響應(yīng)性能和循環(huán)使用性能,以探索其在光催化領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的可能性。首先,制備了具有不同晶體結(jié)構(gòu)、尺寸、形貌的BiVO_4材料,其中單斜BiVO_4(m-BiVO_4)納米微球和一維m-BiVO_4納米棒在可見光照射下顯示出對(duì)亞甲基藍(lán)(MB)較好的降解效果。隨后,設(shè)計(jì)并制備了 BiVO_4/石墨相氮化碳(g-C_3N_4)復(fù)合材料和BiVO_4/還原氧化石墨烯(rGO)核殼復(fù)合材料,促進(jìn)了光生電子轉(zhuǎn)移和電子-空穴分離,提高了對(duì)亞甲基藍(lán)的降解速率,顯示出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。最后,以碳布和碳纖維作為光催化劑支撐材料,制備了具有高負(fù)載量的催化材料,解決了光催化材料循環(huán)使用時(shí)的分離問題。本論文主要在以下幾個(gè)方面取得了創(chuàng)新性成果:(1)通過(guò)共沉淀、溶膠-凝膠、溶劑熱等方法制備了 BiVO_4材料。其中,通過(guò)溶劑熱法制備得到的直徑為1.5-2 μm的m-BiVO_4中空微球具有較高的光催化性能(MB降解率約為84%)。合成機(jī)理的研究表明,局部奧斯瓦爾德熟化和化學(xué)誘導(dǎo)的自轉(zhuǎn)化機(jī)制可能是中空微球形成的主要驅(qū)動(dòng)力。通過(guò)調(diào)整尿素的添加量,可以調(diào)控m-BiVO_4中空微球的尺寸、比表面積、中空結(jié)構(gòu),并影響其光催化性能。(2)通過(guò)調(diào)節(jié)溶劑種類和比例、前驅(qū)體濃度、反應(yīng)溫度等參數(shù),采用水熱法制備了兩種不同的BiVO_4樣品。以水為溶劑,在pH=2、180℃的條件下,經(jīng)12小時(shí)反應(yīng),制備得到了 BiVO_4納米微球,其在可見光照射下、4小時(shí)內(nèi)可將MB降解96%,但循環(huán)3次后降解率就衰減至89%。以水和乙醇按3:1比例作為混合溶劑,在pH=4、180℃的條件下,經(jīng)過(guò)24小時(shí)制備得到了一維m-BiVO_4納米棒,其在可見光照射下、30分鐘內(nèi)可以將MB降解97%,3次循環(huán)后對(duì)MB的降解率穩(wěn)定在95%。(3)為了進(jìn)一步提高光催化活性和循環(huán)性能,設(shè)計(jì)并制備了 m-BiVO_4/g-C_3N_4復(fù)合材料,其中g(shù)-C_3N_4納米片沉積在m-BiVO納米板表面上。該m-BiVO_4/g-C_3N_4異質(zhì)結(jié)復(fù)合材料的在可見光照射下、25分鐘內(nèi)可以將MB降解98%以上(降解速率是g-C_3N_4的2.4倍、m-BiVO_4納米片的1.2倍),且8次循環(huán)后對(duì)MB的降解率仍穩(wěn)定在95%。(4)采用乙醇、水、乙酸比例為3:1:1的溶劑,在180 ℃下經(jīng)10小時(shí)反應(yīng),制備了 BiVO_4/g-C_3N_4與BiVO_4/rGO復(fù)合材料�？赡苡捎贐iVO_4與g-C_3N_4不完全成鍵,導(dǎo)致BiVO_4/g-C_3N_4復(fù)合材料光催化活性略差(84%,MB)。相比而言,rGO的電導(dǎo)性使BiVO_4/rGO核殼復(fù)合材料具有優(yōu)越的電子耦合性能,復(fù)合材料形成的3D網(wǎng)絡(luò)有利于光生電子-空穴的分離,因而,該復(fù)合材料在可見光照射下對(duì)MB有較高的降解率(98%)且循環(huán)性能良好。(5)為了解決光催化材料循環(huán)使用時(shí)的分離難題,引入碳布和碳纖維作為光催化劑的支撐材料。在碳布上覆蓋BiVO_4/rGO復(fù)合材料,可以制備得到BiVO_4/rGO@碳布材料,但3次循環(huán)后BiVO_4/rGO復(fù)合材料開始從碳布上掉落。為此,設(shè)計(jì)了以尿素為粘結(jié)劑、乙二胺四乙酸(EDTA)為模板的溶劑熱法,制備得到了具有較高m-BiVO_4負(fù)載量的m-BiVO_4@碳纖維光催化材料,解決了光催化材料循環(huán)使用時(shí)的分離問題。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O643.36;O644.1


本文編號(hào)：2806374