摘要
近年来，随着工业及城市的快速发展，很多结构复杂的有机污染物被排放到水体中，危害着人们的饮用水安全以及身体健康。传统的污水处理技术大多存在成本高、处理不彻底、工艺复杂、有二次污染等问题。所以开发出清洁高效的新型污水处理方法是非常有意义的，光电催化技术已经被证明是解决光生电子-空穴对复合难题的可行途径，其操作简单、环保、同时具有光催化和电化学技术的优点。稳定且无毒的单斜晶相BiVO4是一种很有前途的光电催化材料，然而其电子传输性能较差，严重的电荷复合限制了它的应用。因此，本文通过合理设计电极结构，改善BiVO4自身缺陷、构建异质结，采用不同分析手段对材料进行表征及分析，以探究作用机理，将制备的BiVO4基光阳极用于光电催化降解有机污染物。论文研究内容如下: 1.BiVO4/rGO/NiFe-LDH光阳极制备及其光电催化降解性能研究 首先，通过化学合成法制备氧化石墨烯(GO)，再利用旋涂法将GO负载到BiVO4表面，在氩气氛围下300℃煅烧，使GO还原为还原氧化石墨烯(rGO)。然后，通过电沉积法将层状镍铁双氢氧化物(NiFe-LDH)沉积到BiVO4/rGO表面，得到BiVO4/rGO/NiFe-LDH复合材料。通过SEM测试可以看到rGO纳米片以及层状NiFe-LDH均匀包覆在BiVO4表面。Mapping测试结果证明了Bi、V、O、C、Ni、Fe元素的存在，及其均匀分布情况。在氙灯照射下，外加电压为0.8V(vs.Ag/AgCl)和0.1M的NaCl电解质溶液中，BiVO4/rGO/NiFe-LDH光阳极的光电流密度最高可达4.2mA/cm2，为BiVO4光阳极的3.1倍。BiVO4/rGO/NiFe-LDH电极表现出比其原始BiVO4、BiVO4/rGO和BiVO4/NiFe-LDH光阳极更为显著的光电流密度以及光电催化降解性能。在30min内，BiVO4/rGO/NiFe-LDH光阳极对甲基橙(15ppm)的降解率达95.1％。荧光光谱和电化学阻抗结果均证实了异质结的构建有助于加快光生载流子的分离和转移。NiFe-LDH可以加速光生空穴从BiVO4光阳极向电解质的传输，而rGO纳米片用作有效的电子穿梭介体，用于抑制BiVO4/NiFe-LDH界面处的电子-空穴复合。自由基捕获实验及ESR测试结果均证明了羟基自由基和空穴是甲基橙降解过程中主要的活性物种。 2.A-BiVO以i3C2Tx光阳极的制备及其光电催化降解性能研究 2D新型材料Ti3C2Tx MXene是一种典型的MXenes，由于其金属性和高功函数，被认为是一种有前途的新型高效电荷分离助催化剂。将Ti3C2Tx旋涂到BiVO4表面，之后在氩气保护下300℃煅烧1h，以提高Ti3C2Tx与BiVO4之间的附着力，并将其命名为A-BiVO4/Ti3C2Tx(Annealing)。SEM和元素分布图显示了Ti3C2Tx薄片与BiVO4的紧密结合，以及Bi、V、O、Ti和C元素的均匀分布情况。以卡马西平抗生素作为降解目标物，在300W/cm2氙灯照射下，外加电压为0.8V(vs.Ag/AgCl)，0.1M的NaCl电解质溶液中，A-BiVO4/Ti3C2Tx光阳极在12min内对卡马西平(20ppm)的降解率可达87.7％。A-BiVO4/Ti3C2Tx光阳极光电流密度最高可达3.78mA/cm2，为BiVO4光阳极的2.17倍。复合电极表现出优异的可重复使用性。自由基捕获实验和ESR测试结果证明了空穴及羟基自由基在降解过程中发挥了主导作用。
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