新型复合光催化剂的构筑、微结构调控及其降解有机污染物研究

论文摘要

近年来,随着人们对环境问题的日益重视,环境污染处理新技术得到快速发展。其中,光催化技术具有能耗低、无污染等优点受到了广泛关注。Ti02半导体因为具有催化活性高、化学和光稳定性好、安全无毒等优点而被作为一种常用的光催化剂。但是,Ti02较宽的禁带宽度使其只能利用太阳光中少部分的紫外光,且存在难以回收利用问题,限制了其在实际中的应用。因此,有必要寻求新型可见光响应的光催化材料并提高其可回收利用性能。Bi2WO6半导体具有高活性、可见光响应、无毒等特点,近年来备受人们关注。但Bi2WO6催化剂仍然存在光生电子空穴容易复合和吸附性不足问题。为解决此问题,本论文主要进行了金属氧化物或粘土复合Bi2WO6研究,并对其可见光催化降解有机污染物进行研究。本文首先采用简单易行的水热法成功合成具有分等级结构CaWO4/Bi2WO6复合光催化剂。通过XRD、TEM、SEM、UV-vis DRS、BET、XPS等多种现代表征手段,分析CaWO4/Bi2WO6复合光催化剂的微结构、相学组成与表面特征之间的构效关系。探讨CaWO4/Bi2WO6复合光催化剂对有机污染物罗丹明B（RhB）和对硝基苯酚（4-NP）的光催化降解活性。与纯的Bi2WO6比较,复合光催化剂对RhB和4-NP的光催化活性分别提高4.5倍和1.8倍。另外,复合光催化剂在4次光降解循环后仍能保持良好的活性。利用催化剂能带结构的估算,揭示复合光催化材料光催化活性增强的原因是电子空穴对的有效分离。为了进一步提高Bi2WO6催化剂的光催化活性,本文通过水热法成功合成可见光响应的具有分等级结构α-Fe2O3/Bi2WO6复合光催化剂。采用XRD、SEM、 HRTEM、BET、XPS、UV-vis DRS等多种现代表征手段,分析α-Fe2O3/Bi2WO6复合光催化剂的微结构、相学组成和光吸收等特征。α-Fe2O3/Bi2WO6复合光催化剂对有机污染物罗丹明B（RhB）和酸性红染料呈现出良好的吸附性能和较高的光催化活性。通过各种活性基团的测定结果及催化剂能带结构的估算,发现复合光催化材料具有高活性高吸附性的原因是α-Fe2O3（?）（?）Bi2WO6的协同作用的结果。为了进一步增强Bi2WO6催化剂的吸附性,提高固液分离效率及重复利用率,本文选用累托石粘土作为载体,通过溶胶凝胶法成功合成可见光响应的Bi2WO6/累托石复合光催化剂。采用XRD、SEM、HRTEM、BET、XPS、UV-vis DRS等多种现代表征手段,分析Bi2WO6/累托石复合光催化剂的层状结构与表面特征之间的关系。Bi2WO6/累托石复合光催化剂对直接大红（4BS）呈现出良好的较高光催化活性和吸附性能。复合光催化剂性能增强的原因主要归因于Bi2WO6半导体的可见光吸收和累托石吸附的协同作用。最后,本文还对新型等离子体光催化材料进行了探索。以硅酸钠和硝酸银作为原料,采用简单易行的微波法-光诱导还原和离子交换法-光诱导还原两种方法分别合成可见光响应的Ag-Ag6Si207等离子体光催化剂。所制备的等离子体光催化剂对目标污染物亚甲基蓝（MB）有良好的催化降解活性,主要归因于金属Ag等离子体共振效应和Ag6Si207极化场作用。从活性自由基实验结果发现空穴（h+）和过氧（O2·-）自由基在Ag-Ag6Si207光催化剂降解污染物中起了非常重要的作用。最后对Ag-Ag6Si207离子体催化材料的稳定性及相关机理进行了探讨。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 水污染
• 1.2.1 水污染状况
• 1.2.2 传统水污染处理技术及存在的问题
• 1.2.2.1 物理法
• 1.2.2.2 生物法
• 1.2.2.3 化学法
• 1.3 环境光催化
• 1.3.1 光催化技术的发展
• 1.3.2 光催化作用机理
• 1.3.3 环境光催化技术的应用
• 1.3.3.1 光催化降解污染物
• 1.3.3.2 光催化制氢
• 1.4 环境光催化材料的改性技术
• 1.4.1 离子掺杂
• 1.4.2 贵金属沉积
• 1.4.3 半导体复合
• 1.4.4 分等级结构
• 1.5 新型光催化材料研究现状
• 1.5.1 铋系光催化剂
• 1.5.2 粘土基光催化剂
• 1.5.3 表面等离子体光催化剂
• 1.6 本论文的研究意义和研究内容
• 1.6.1 研究意义
• 1.6.2 研究内容
• 4/Bi₂WO₆分等级花状微球的制备及其可见光光催化性能研究'>第2章 CaWO₄/Bi₂WO₆分等级花状微球的制备及其可见光光催化性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验试剂及仪器
• 2.2.2 光催化材料的制备
• 2.2.3 光催化材料的表征
• 2.2.4 光催化实验
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 XRD分析
• 2.3.2 SEM和TEM分析
• 2.3.3 XPS分析
• 2.3.4 BET分析
• 2.3.5 TG-DSC分析
• 2.3.6 UV-Vis DRS分析
• 2.3.7 光催化性能评价
• 4/Bi₂WO₆复合光催化剂对RhB的光催化降解效果'>2.3.7.1 CaWO₄/Bi₂WO₆复合光催化剂对RhB的光催化降解效果
• 4/Bi₂WO₆复合光催化剂对4-NP的光催化降解效果'>2.3.7.2 CaWO₄/Bi₂WO₆复合光催化剂对4-NP的光催化降解效果
• 4/Bi₂WO₆复合光催化剂的稳定性'>2.3.8 CaWO₄/Bi₂WO₆复合光催化剂的稳定性
• 4/Bi₂WO₆复合光催化剂对有机污染物的光催化降解机理分析'>2.3.9 CaWO₄/Bi₂WO₆复合光催化剂对有机污染物的光催化降解机理分析
• 2.4 小结
• 2O₃/Bi₂WO₆分等级结构催化材料的制备及其光催化性能研究'>第3章 α-Fe₂O₃/Bi₂WO₆分等级结构催化材料的制备及其光催化性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验试剂及仪器
• 3.2.2 光催化材料的制备
• 3.2.3 光催化材料的表征
• 3.2.4 光催化实验
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 XRD分析
• 3.3.2 SEM和TEM分析
• 3.3.3 XPS分析
• 3.3.4 BET分析
• 3.3.5 UV-Vis DRS分析
• 2O₃/Bi₂WO₆复合光催化剂的光催化性能评价'>3.3.6 α-Fe₂O₃/Bi₂WO₆复合光催化剂的光催化性能评价
• 2O₃/Bi₂WO₆复合光催化剂的稳定性'>3.3.7 α-Fe₂O₃/Bi₂WO₆复合光催化剂的稳定性
• 2O₃/Bi₂WO₆复合光催化剂对有机污染物的降解机理分析'>3.3.8 α-Fe₂O₃/Bi₂WO₆复合光催化剂对有机污染物的降解机理分析
• 3.4 小结
• 2WO₆/累托石复合物的制备及其光催化性能研究'>第4章 可见光响应/Bi₂WO₆/累托石复合物的制备及其光催化性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验试剂及仪器
• 4.2.2 光催化材料的制备
• 4.2.3 光催化材料的表征
• 4.2.4 光催化实验
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 XRD分析
• 4.3.2 SEM和TEM分析
• 4.3.3 XPS分析
• 4.3.4 BET分析
• 4.3.5 TG-DSC分析
• 4.3.6 FT-IR分析
• 4.3.7 UV-Vis DRS分析
• 4.3.8 光催化性能评价
• 2WO₆/累托石复合光催化剂对4BS的光催化降解效果'>4.3.8.1 Bi₂WO₆/累托石复合光催化剂对4BS的光催化降解效果
• 2WO₆/累托石复合光催化剂对4BS的降解动力学和热力学'>4.3.8.2 Bi₂WO₆/累托石复合光催化剂对4BS的降解动力学和热力学
• 2WO₆/累托石复合光催化剂的稳定性'>4.3.8.3 Bi₂WO₆/累托石复合光催化剂的稳定性
• 2WO₆/累托石复合光催化剂催化性能增强的原因分析'>4.3.8.4 Bi₂WO₆/累托石复合光催化剂催化性能增强的原因分析
• 4.4 小结
• 2Si₆O₇等离子体光催化剂的制备及其光催化活性研究'>第5章 新型Ag-Ag₂Si₆O₇等离子体光催化剂的制备及其光催化活性研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验试剂及仪器
• 5.2.2 光催化材料的制备
• 5.2.3 光催化材料的表征
• 5.2.4 光催化实验
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 XRD分析
• 5.3.2 SEM和FESEM分析
• 5.3.3 XPS分析
• 5.3.4 BET分析
• 5.3.5 TG-DSC分析
• 5.3.6 UV-Vis DRS分析
• 5.3.7 光催化性能评价
• 2Si₆O₇光催化剂对有机污染物的光催化降解机理分析'>5.3.8 Ag-Ag₂Si₆O₇光催化剂对有机污染物的光催化降解机理分析
• 5.4 小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 致谢（一）
• 致谢（二）
• 攻读学位期间发表论文及申请专利