摘要
光催化技术具有应用前景，但由于光催化剂存在光利用效率低下、氧化还原反应性能不足以及光生空穴和电子易复合等问题，导致其实用受限。本研究以WO3和C3N4复合构建了Z型异质结光催化剂，实现了氧化还原性能的有效提升，利用WO3/C3N4复合光催化剂实现了光催化氧化环己烷高选择性制备环己醇和环己酮（KA油）、降解有机废水和还原Cr(Ⅳ)等多种体系中的有效应用。主要研究内容和结果如下： (1)以单斜相WO3和石墨相C3N4制备了复合光催化剂，证实了二者形成了Z型异质结，氧化还原性能提升。C3N4/WO3以H2O和O2为氧化还原介质，可见光照射下分别产生?OH和?O2-。通过DFT理论计算分析得出二者界面间电荷转移推动力大于typeⅡ型异质结电荷转移的推动力，结合能带弯曲理论明确复合催化剂界面间电子转移路径，确定C3N4/WO3为Z型异质结结构。对C3N4/WO3的光电性能测试后证明其能够促进光生载流子分离，同时具有强氧化还原性能。 (2)在H2O/环己烷/O2反应体系中利用C3N4/WO3实现了环己烷的选择性光催化氧化制KA油，反应活性显著优于WO3和C3N4。通过催化剂性能筛选，确定0.3C3N4/WO3可获得最高KA油产量为91.1μmol?g-1?h-1。通过工艺条件优化，反应体系中KA油产量可进一步提升至112.96μmol?g-1?h-1，选择性提升至94.9%。异质结催化剂结构稳定，在pH=7和pH=1反应条件下可稳定循环使用，反应24h环己酮产量可达到1568.43μmol?g-1。自由基捕获实验结合过度态搜索模拟，证实了C3N4/WO3光催化氧化环己烷的反应机理，光照下C3N4/WO3产生的?OH和?Cl为反应体系中主要氧化活性物种，?O2-的存在促使环己醇进一步转化为环己酮，同时抑制氯代烷烃的产生。 (3)将C3N4/WO3用于可见光光降解有机染料，可实现有机物的快速降解。最优光催化剂0.3C3N4/WO3可同时产生强氧化性空穴和?O2-，在可见光照射150、15和120min内对亚甲基蓝、甲基橙和罗丹明B分别达到90.34%、96.86%和92.23%的降解率，相较于纯组分催化剂降解速率更快效率更高。 (4)将C3N4/WO3用于可见光光还原治理Cr(Ⅳ)，可实现Cr(Ⅳ)快速高效去除。最优光催化剂0.3C3N4/WO3在以甲醇为牺牲剂时，光反应36min内可将Cr(Ⅳ)完全去除；无牺牲剂的体系中光还原反应125min以内可以完全去除Cr(Ⅳ)，性能优于WO3和C3N4；增加催化剂用量至3g/L，使光反应50min即可达到98.37%的降解率。研究证实，C3N4/WO3的光生空穴可被牺牲剂或水消耗，量子效率提升；而pH降低利于提升过程速率，并使催化剂表面活性位点更新。
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