摘要
光催化氧化技术是一种环保友好型新技术，在应对全球性环境和能源危机方面有着非常广阔的应用前景。尤其可见光响应型光催化剂是近些年的研究热点。BiOBr是一种可见光催化剂，对波长大约小于440nm的可见光有强烈吸收，其产生的光生空穴具有很强的氧化能力。但作为一种单组分光催化剂，它的光催化性能距离实际应用还有差距。本论文以提高BiOBr的光催化性能为目的，通过构建三维结构、Z型异质结、纳米阵列光电极和与吸附材料进行复合等方法，制备了Z型WO3/BiOBr复合光催化剂、BiOBr@RGO/DT复合光催化剂、BiOBr纳米阵列光电极和BiOBr/WO3复合纳米棒阵列光电极。通过多种分析测试手段例如X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、X射线能谱（EDS）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、紫外-可见漫反射吸收光谱（UV-VisDRS）、光致发光（PL）光谱和光电测试等对催化剂的物化特性包括晶型结构、形貌特征、光吸收性能、荧光性能和光电性能等进行了系统表征，应用催化剂降解了盐酸环丙沙星（CIP）、气态甲醛和双酚A（BPA）等污染物，并探讨了催化降解机理。取得的主要研究结果如下： （1）通过溶剂热法制备了Z型WO3/BiOBr复合光催化剂（WB）。WB-0.5（即W:Bi摩尔比为0.5:1）在可见光（λ≥400nm）下对盐酸环丙沙星的光催化降解效率最高，120分钟内达到94.7％，分别是单独使用WO3和BiOBr降解效率的5.2和1.6倍。总有机碳去除率达到41.2％。WB-0.5具有很好的稳定性，即使经过五次循环降解实验，其光催化活性也没有明显的衰减。对WB-0.5的晶体结构、形貌和表面元素状态的分析表明其具有三维结构，两种组成材料之间结合紧密。通过分析活性物种、光电流特性、能带结构和原位光照XPS，推断出WB复合催化剂中光生载流子的迁移方式遵循Z型机制。三维结构可以提供更多的反应活性位点，增加光的吸收效率，直接Z型异质结可以有效提高光生载流子的分离效率，因此WB复合光催化剂的催化活性较高。这项工作可以为设计三维Z型异质结光催化剂提供新思路。 （2）通过溶剂热法制备了BiOBr@RGO/DT复合光催化剂，其中RGO的添加量固定为1%（相对于BiOBr）。硅藻土（DT）和BiOBr的质量比为1.5时，所制得的BiOBr@RGO/DT-1.5复合光催化剂对气态甲醛的光催化降解率最高，3小时可达89.6%，是使用BiOBr时降解率的1.6倍。降解气态甲醛的最佳相对湿度为45％。4个循环的光催化反应后，BiOBr@RGO/DT-1.5的催化性能衰减很小，说明该催化剂稳定性好。BiOBr@RGO/DT复合光催化剂的高催化性能得益于硅藻土吸附富集了低浓度气态甲醛，从而提高了BiOBr降解甲醛的效率。 （3）以[C16mim]Br离子液体为溴源和模板，通过溶剂热法在氧化铟锡（ITO）玻璃表面上成功制备了BiOBr纳米片阵列（NSA）。研究了不同反应温度对阵列合成的影响。BiOBrNSA-160（制备条件：160℃下反应8小时）具有最佳的光电催化活性，在施加0.9V的偏压并在可见光照射下180分钟后，对CIP的去除率达到91.4％。对催化剂的形貌、光电性能、能带结构和降解活性物质的分析结果表明：BiOBrNSA-160为鳞片状结构，膜厚度为648nm；它是一种p型光催化剂，光响应范围小于440nm；在偏压0.9V下，BiOBrNSA-160光电极的光电流密度为69μA/cm2。BiOBrNSA-160具有高光电催化活性，是由于一方面偏压有效地提高了光生载流子的分离效率，另一方面纳米阵列的三维结构增加了光的吸收和活性位点。BiOBrNSA是一种很有前景的光电催化材料。 （4）通过两步反应制备了BiOBr/WO3复合纳米棒阵列光电极。首先用水热法在FTO玻璃表面制备了WO3纳米棒阵列，然后再利用溶剂热法在WO3纳米棒表面生长了BiOBr薄纳米片。表面形貌和XPS结果表明，BiOBr纳米片紧密地结合在WO3纳米棒表面并存在很强的结合作用。BiOBr/WO3复合纳米棒阵列光电催化降解BPA的效率在3小时可以达到95.7％，是只进行光催化降解的2.8倍，对总有机碳的去除率达到了37.2％。BiOBr/WO3的高光电催化活性是由于它的异质结有效分离了光生载流子，在偏压驱动下光电子快速迁移到了外电路，因此提高了光生载流子的分离效率；同时催化剂的三维结构也增加了光的吸收利用效率和提供了更多的反应活性位点。
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