氯氧化鉍基光催化材料的制備及其性能研究
發(fā)布時(shí)間：2021-06-17 03:23
當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展,為我們的生活帶來了諸多便利,但隨之衍生出的能源短缺與環(huán)境污染問題已經(jīng)嚴(yán)重威脅到了人類的生存和發(fā)展。隨著光催化技術(shù)的成熟與發(fā)展,光催化技術(shù)被認(rèn)為是解決人類當(dāng)前面臨的能源與環(huán)境問題最有希望的方法之一。其中,氯氧化鉍（BiOCl）光催化劑因具有優(yōu)異的穩(wěn)定性、良好的電子傳輸性、無光腐蝕以及高光活性等優(yōu)點(diǎn)而受到了廣泛關(guān)注。但BiOCl存在禁帶寬度大、光生電子-空穴復(fù)合效率高和光量子效率低等問題,因此在實(shí)際應(yīng)用中受到了一定的限制。針對(duì)BiOCl的這些特點(diǎn),本文以BiOCl為研究對(duì)象,酸性紅B（ARB）為目標(biāo)降解物,通過貴金屬沉積、元素?fù)诫s以及構(gòu)建異質(zhì)結(jié)三種途徑對(duì)BiOCl進(jìn)行改性來提高光催化活性�？疾炝藰悠返南嘟Y(jié)構(gòu)、微觀形貌以及光催化性能,同時(shí)對(duì)光催化機(jī)理進(jìn)行了初步探討,得到以下結(jié)論:（1）以AgNO3為Ag源,通過溶劑熱法在BiOCl表面沉積貴金屬Ag制備了Ag@BiOCl光催化劑,Ag以直徑為40 nm的球形顆粒形式存在。基于Ag的表面等離子體共振效應(yīng)（SPR）,成功將BiOCl的光響應(yīng)范圍拓展至可見光區(qū)域,降低了光生電子-空穴的復(fù)合效率,提高了電荷...
【文章來源】：河北大學(xué)河北省
【文章頁(yè)數(shù)】：65 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
光催化原理示意圖
第一章緒論3近年來，光催化已經(jīng)發(fā)展成為有機(jī)合成化學(xué)最重要的分支之一。光催化劑受到光的激發(fā)后，通過電子轉(zhuǎn)移或能量轉(zhuǎn)移來活化底物從而誘導(dǎo)反應(yīng)，得到高附加值的產(chǎn)物。其反應(yīng)條件相比傳統(tǒng)的熱反應(yīng)更為溫和、低能耗，因此該途徑可以為有機(jī)合成提供新思路。此外，光催化技術(shù)也廣泛應(yīng)用于光催化殺菌消毒[10-12]以及CO2的還原[12]等領(lǐng)域。相信在以后的研究和發(fā)展中，光催化技術(shù)的應(yīng)用會(huì)更加廣泛。1.3BiOCl光催化劑1.3.1BiOCl的結(jié)構(gòu)BiOCl是一種新型的鉍系半導(dǎo)體光催化材料，具有優(yōu)異的穩(wěn)定性、良好的電子傳輸性能、高光活性和無光腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[13-14]。能帶結(jié)構(gòu)如圖1-2(a)所示，可以看出，VB的頂端在Z點(diǎn)，CB的底端在R點(diǎn)，表明BiOCl屬于間接帶隙半導(dǎo)體材料。此外，BiOCl具有各向異性的層狀結(jié)構(gòu)，如圖1-2(b)所示。[Bi2O2]2+的層間插入Cl-層，在[Bi2O2]2+和Cl-層之間形成的內(nèi)部電場(chǎng)可以有效分離光生電子-空穴，從而增強(qiáng)其光催化活性[16-18]。圖1-2BiOCl的能帶結(jié)構(gòu)(a)，BiOCl的晶體結(jié)構(gòu)(b)[15]Fig.1-2BandstructureofBiOCl(a),crystalstructureofBiOCl(b)1.3.2BiOCl的制備方法近年來，關(guān)于BiOCl光催化劑的研究有了很大的進(jìn)展，制備方法有多種，大致可總結(jié)如下：(1)水解法水解法是最常見的一種制備方法，其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、對(duì)設(shè)備的要求低、易于進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。例如，Shi等人[19]將BiCl3溶解于HCl溶液中，然后加入一定量的水解劑，通過加入Na2CO3來調(diào)節(jié)溶液的pH值，制備出了結(jié)晶度良好的BiOCl光催化劑，光催化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明BiOCl的光催化性能明顯高于TiO2(P25)。Li等人[20]在室溫下將
第一章緒論5(1)摻雜改性摻雜是一種增強(qiáng)半導(dǎo)體光催化活性的常用方法，通過摻雜可以改變半導(dǎo)體的能帶位置和光響應(yīng)范圍。對(duì)于BiOCl而言，大多數(shù)采用鹵素(Br和I)摻雜，因?yàn)锽iOCl、BiOBr和BiOI具有相似的層狀結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成和原子排序，因此，鹵素離子更容易進(jìn)入晶格進(jìn)行相互替換。例如Xie等人[39]采用快速、廉價(jià)、條件溫和的固態(tài)化學(xué)法合成了大麗花狀的BiOClxI1-x光催化劑，其在可見光下照射60min后對(duì)羅丹明B(RhB)的降解率最高可達(dá)到98%，相比于BiOCl具有更高的光催化活性。Qin等人[40]以2-甲氧基乙醇為溶劑，離子液體為Br源和結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，制備了Br摻雜的具有層狀四方晶相的三維BiOCl1-xBrx分層微球，在可見光下實(shí)現(xiàn)了對(duì)四溴雙酚A的高效降解。此外，除了鹵素?fù)诫s，還有金屬離子摻雜改性。Gao等人[41]采用簡(jiǎn)單的燃燒法制備了Fe3+摻雜的紅棕色Bi0.85Fe0.15OCl粉末，如圖1-3所示。由圖1-3(a)可知，F(xiàn)e3+的摻雜使BiOCl的光響應(yīng)范圍拓展到了可見光區(qū)，圖1-3(b)為可見光下對(duì)RhB的降解曲線，可以看出，F(xiàn)e3+摻雜后的樣品光催化活性均高于未摻雜的BiOCl。由此可以得出結(jié)論：Fe3+的摻雜增強(qiáng)了BiOCl的可見光光催化活性。2011年，Brijesh等人[42]報(bào)道了一種采用水解法制備Mn摻雜BiOCl光催化劑的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Mn的摻雜可以有效減小BiOCl的帶隙值，延長(zhǎng)光生電子-空穴的壽命，可見光照射120min后可以使孔雀石綠完全脫色，表現(xiàn)出了較高的光催化活性。圖1-3BiOCl和Bi1-xFexOCl的UV-VisDRS光譜(a)，可見光下RhB降解曲線(b)Fig.1-3UV-VisDRSspectraofBiOClandBi1-xFexOCl(a),RhBdegradationcurveundervisiblelight(b)(2)構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)建異質(zhì)結(jié)也是提高BiOCl光催化活性的一種有效途徑，由于BiOCl屬于寬禁帶半
本文編號(hào)：3234363
【文章來源】：河北大學(xué)河北省
【文章頁(yè)數(shù)】：65 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
光催化原理示意圖
第一章緒論3近年來，光催化已經(jīng)發(fā)展成為有機(jī)合成化學(xué)最重要的分支之一。光催化劑受到光的激發(fā)后，通過電子轉(zhuǎn)移或能量轉(zhuǎn)移來活化底物從而誘導(dǎo)反應(yīng)，得到高附加值的產(chǎn)物。其反應(yīng)條件相比傳統(tǒng)的熱反應(yīng)更為溫和、低能耗，因此該途徑可以為有機(jī)合成提供新思路。此外，光催化技術(shù)也廣泛應(yīng)用于光催化殺菌消毒[10-12]以及CO2的還原[12]等領(lǐng)域。相信在以后的研究和發(fā)展中，光催化技術(shù)的應(yīng)用會(huì)更加廣泛。1.3BiOCl光催化劑1.3.1BiOCl的結(jié)構(gòu)BiOCl是一種新型的鉍系半導(dǎo)體光催化材料，具有優(yōu)異的穩(wěn)定性、良好的電子傳輸性能、高光活性和無光腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[13-14]。能帶結(jié)構(gòu)如圖1-2(a)所示，可以看出，VB的頂端在Z點(diǎn)，CB的底端在R點(diǎn)，表明BiOCl屬于間接帶隙半導(dǎo)體材料。此外，BiOCl具有各向異性的層狀結(jié)構(gòu)，如圖1-2(b)所示。[Bi2O2]2+的層間插入Cl-層，在[Bi2O2]2+和Cl-層之間形成的內(nèi)部電場(chǎng)可以有效分離光生電子-空穴，從而增強(qiáng)其光催化活性[16-18]。圖1-2BiOCl的能帶結(jié)構(gòu)(a)，BiOCl的晶體結(jié)構(gòu)(b)[15]Fig.1-2BandstructureofBiOCl(a),crystalstructureofBiOCl(b)1.3.2BiOCl的制備方法近年來，關(guān)于BiOCl光催化劑的研究有了很大的進(jìn)展，制備方法有多種，大致可總結(jié)如下：(1)水解法水解法是最常見的一種制備方法，其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、對(duì)設(shè)備的要求低、易于進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。例如，Shi等人[19]將BiCl3溶解于HCl溶液中，然后加入一定量的水解劑，通過加入Na2CO3來調(diào)節(jié)溶液的pH值，制備出了結(jié)晶度良好的BiOCl光催化劑，光催化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明BiOCl的光催化性能明顯高于TiO2(P25)。Li等人[20]在室溫下將
第一章緒論5(1)摻雜改性摻雜是一種增強(qiáng)半導(dǎo)體光催化活性的常用方法，通過摻雜可以改變半導(dǎo)體的能帶位置和光響應(yīng)范圍。對(duì)于BiOCl而言，大多數(shù)采用鹵素(Br和I)摻雜，因?yàn)锽iOCl、BiOBr和BiOI具有相似的層狀結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成和原子排序，因此，鹵素離子更容易進(jìn)入晶格進(jìn)行相互替換。例如Xie等人[39]采用快速、廉價(jià)、條件溫和的固態(tài)化學(xué)法合成了大麗花狀的BiOClxI1-x光催化劑，其在可見光下照射60min后對(duì)羅丹明B(RhB)的降解率最高可達(dá)到98%，相比于BiOCl具有更高的光催化活性。Qin等人[40]以2-甲氧基乙醇為溶劑，離子液體為Br源和結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，制備了Br摻雜的具有層狀四方晶相的三維BiOCl1-xBrx分層微球，在可見光下實(shí)現(xiàn)了對(duì)四溴雙酚A的高效降解。此外，除了鹵素?fù)诫s，還有金屬離子摻雜改性。Gao等人[41]采用簡(jiǎn)單的燃燒法制備了Fe3+摻雜的紅棕色Bi0.85Fe0.15OCl粉末，如圖1-3所示。由圖1-3(a)可知，F(xiàn)e3+的摻雜使BiOCl的光響應(yīng)范圍拓展到了可見光區(qū)，圖1-3(b)為可見光下對(duì)RhB的降解曲線，可以看出，F(xiàn)e3+摻雜后的樣品光催化活性均高于未摻雜的BiOCl。由此可以得出結(jié)論：Fe3+的摻雜增強(qiáng)了BiOCl的可見光光催化活性。2011年，Brijesh等人[42]報(bào)道了一種采用水解法制備Mn摻雜BiOCl光催化劑的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Mn的摻雜可以有效減小BiOCl的帶隙值，延長(zhǎng)光生電子-空穴的壽命，可見光照射120min后可以使孔雀石綠完全脫色，表現(xiàn)出了較高的光催化活性。圖1-3BiOCl和Bi1-xFexOCl的UV-VisDRS光譜(a)，可見光下RhB降解曲線(b)Fig.1-3UV-VisDRSspectraofBiOClandBi1-xFexOCl(a),RhBdegradationcurveundervisiblelight(b)(2)構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)建異質(zhì)結(jié)也是提高BiOCl光催化活性的一種有效途徑，由于BiOCl屬于寬禁帶半
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