隨著全球工業(yè)化的迅猛發(fā)展,所造成的環(huán)境污染問題也日趨嚴重。半導體光催化技術是解決能源和環(huán)境危機的有效策略,它利用光照條件下催化劑能夠產生的光生電子和空穴實現污染的消除或能源的產生。為了實現光催化技術在大規(guī)模工業(yè)上的應用,應用地殼表面豐富的元素制備低價格的光催化劑是一個關鍵步驟。以地殼含量豐富的鋁和鎂為原料制備的鎂鋁水滑石(MgAl-LDHs),因其禁帶寬度大,不能轉移自由電子,限制了其在催化領域的應用�？紤]到鎂鋁水滑石為層狀結構,表面有大量的氧暴露。又通過研究發(fā)現構建表面氧空位能夠有效縮短材料的本征禁帶寬度,增強對光的吸收。因此,本文通過水熱法合成出具有表面氧空位的鎂鋁水滑石。采用XRD、SEM、TEM、DRS、PL、BET等手段對材料進行了表征,并通過在模擬太陽光下降解無色苯酚溶液確定用硝酸鋁、硝酸鎂、氫氧化鈉和碳酸鈉制備的材料的光催化活性最高,這是歸因于其表面含有豐富的氧空位,能使原本因為禁帶寬度大而無法躍遷的價帶電子,通過中間能級躍遷到導帶上,有效的轉移光生電子,增強對光的利用率。單一的鎂鋁水滑石(MgAl-LDHs)對太陽光的利用率低,為了促進半導體對光的吸收,增強光生載流子的分離效率。構筑異質結是很好的選擇。本文通過一步水熱法構筑CoAl-LDHs/MgAl-LDHs異質結,改善MgAl-LDHs對光響應范圍窄這一主要缺點,使其在紫外-可見區(qū)域有了明顯的光吸收。由于MgAl-LDHs具有缺陷,能夠有效的轉移CoAl-LDHs產生的光生電子,提高光生電子-空穴對的分離效率。通過光催化降解苯酚,發(fā)現異質結的光催化活性要比單一物質的高。進一步探究發(fā)現,鎂鋁水滑石(MgAl-LDHs)經過不同溫度煅燒,形成含有無定形成分的鎂鋁尖晶石(MgAl_2O_4)。理論計算表明,純MgAl_2O_4晶體的禁帶寬度為7.505 eV,價帶的頂主要由Mg-p和O-p雜化形成,而導帶底主要來源于Mg-s/p和O-s/p。UV-vis DRS結果顯示,含無定形成分的MgAl_2O_4可吸收紫外光,其帶隙為3.90 eV,這是由于較長的Mg-O鍵和存在缺陷引起的。在紫外光照射下,通過降解甲基藍(MB),對MgAl_2O_4的光催化活性進行評價。提出了MgAl_2O_4的電子傳遞路線和光催化機理。利用Motts-schottky電化學測量獲得了MgAl_2O_4導帶電勢。
【學位單位】：河北科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：O643.36;O644.1
【部分圖文】：

-1 0 1 2 3 40.50.6Irradiation tim e (h)no scavengerIPAB QED TA-2N a圖 3-11 LDH-3 的捕獲劑試驗圖3.5 光催化機理基于以上試驗分析和活性物種的研究，所提出了可能的光催化過程的機理，圖 3-12 所示。當光照射到含有氧空位的 MgAl-LDHs 的表面時，處在價帶上的電躍遷到缺陷能級或導帶上，在價帶位相應的位置上留下空穴，空穴能夠直接氧化解污染物，還可以與水反應生成 OH。處在高能級的電子能夠與空氣中的氧反應生成 O2-， O2-可以與水反應生成 OH。在空穴和自由基的共同作用下，苯酚得以解。催化劑表面的氧缺陷能夠有效的捕獲光生電子，抑制光生電子-空穴對的分離缺陷能級起到中間能級的作用，能使因為禁帶寬度大而無法躍遷的光生電子遷移導帶上，提高光催化效率。

25圖 4-1 不同樣品的 N2吸/脫附等溫線以及相應的孔容孔徑分布圖a) MgAl-LDHs;b) 0.09 Co-Mg; c) 0.20 Co-Mg; d) 0.33 Co-Mg; e) 0.50 Co-Mg; f) CoAl-LDHs表 4-2 顯示了樣品的孔容、孔徑和比表面積結果。因為 CoAl-LDHs 的表面積較小，因此隨著 CoAl-LDHs 的含量的增加，異質結結構的比表面積逐漸減小，但整體來說，降低的幅度較 CoAl-LDHs 的增加量小得多，尤其是在 0.20-0.50 Co-Mg 異質結處。CoAl-LDHs 的加入增強了整體的活性位點的暴露，從而有利于光催化效率的提高

圖 4-12 異質結光催化降解苯酚機理圖4.6 本章小結為了增強 MgAl-LDHs 對光的相應，增加 CoAl-LDHs，通過一步水CoAl-LDHs/MgAl-LDHs 異質結。當 CoAl-LDHs 與 MgAl-LDHs 的摩爾比制備的異質結樣品表現出最高的光催化活性。這歸因于一下幾方面：一，C的加入增強了樣品的光響應范圍，MgAl-LDHs 比表面積較大對苯酚的吸附兩者優(yōu)勢互補；二，層狀結構之間的異質結，有利于增加接觸位點，便于遷移；三，兩種化合物能帶結構相互匹配，具有缺陷態(tài)的 MgAl-LDHs 能夠CoAl-LDHs 產生的光生電子，提高光生電子-空穴對的分離效率，增強光催

【參考文獻】

相關期刊論文 前2條

1 李發(fā)堂;劉英;李振杰;劉瑞紅;殷蓉;;Nd摻雜LaFeO_3納米粉體的合成及其可見光催化活性(英文)[J];納米技術與精密工程;2010年03期

2 沈師孔,李春義,余長春;Ni/Al_2O_3催化劑上甲烷部分氧化制合成氣反應機理[J];催化學報;1998年04期

本文編號：2819828