摘要
光催化技术利用半导体光催化剂在太阳能驱动下的强氧化还原能力，来解决能源短缺和生态污染等方面的问题，是一种生态友好的技术。以往的研究表明，高活性的光催化剂吸收绿色的太阳能可以有效降解有机污染物，开发生产条件温和、成本低廉和可见光响应能力良好的光催化剂是光催化技术发展的重要环节。聚酰亚胺气凝胶（PIA）是一种广泛应用于涂层和航空航天的传统聚合物。近年来，PIA因其丰富的孔结构、较大的比表面积、可调的能带结构和良好的物理化学稳定性，在光催化领域受到了一定的关注。但是任何单一组分的半导体光催化剂都会存在许多不足，如对可见光利用率低，电荷复合严重，光生电子空穴迁移率低等弊端，这些弊端严重限制了光催化剂的实际应用。因此本论文以PIA光催化剂为主要研究对象，通过元素掺杂和异质结的构建等方式，改善了材料的疏水性能，并提高光催化剂的降解活性，提高聚酰亚胺气凝胶在光催化污水处理领域的应用潜力。具体的研究如下： （1）采用化学酰胺反应和超临界酒精干燥法制备Cl掺杂PIA光催化剂。实验发现，电负性较大的氯元素引入会在PIA中给体-受体结构中起到得电子的作用，由于其合适的原子半径，氯元素掺杂后不会破坏起稳定性的酰胺环，同时形成新的电荷传输通道，提高材料的光吸收能力和电荷迁移率；溴、碘的引入虽然会提高光催化性能，但是原子半径较大，改性后的催化剂稳定性较差。本工作通过优化氯的掺杂量，探索不同掺杂量对PIA光催化性能的影响，结果证明改性后的光催化剂180min内对有机染料罗丹明B的去除率达到80%，降解速率是PIA单体的2.3倍。 （2）通过一步超临界干燥法制备具有宽光谱响应的PIA/Bi2MoO6-OVsp-n型异质结气凝胶光催化剂。引入氧空位可以活化氧分子，形成缺陷。同时，SEM图像显示絮状PIA包裹在花状Bi2MoO6-OVs微球的表面，充分利用了聚酰亚胺气凝胶的大的比表面积和钼酸铋较好的光催化性。此外，经测试分析发现，PIA中N原子与Bi2MoO6-OVs的Mo原子配位形成了Mo-N化学键，提高稳定性。实验结果表明，通过构建p-n型异质结，PIA/Bi2MoO6-OVs气凝胶具有较好的可见光响应能力，较小的电荷传输阻力，抑制电荷复合，使材料在100min内对罗丹明B的光降解率达到80%，降解速率分别是PIA和Bi2MoO6单体的4和12倍。 （3）为了解决PIA较强的疏水性以及遇水易于团聚的缺点，该工作通过一步溶剂热法在PIA上原位生长Bi4O5I2纳米片制备了Z型xPIA/Bi4O5I2异质结光催化剂。通过优化PIA的添加量可以得到性能较优，比表面积较大（42.381m2/g）的催化剂，同时选择乙二醇作溶剂的溶剂热法改善了材料的疏水性能。在暗反应和模拟阳光照射下，xPIA/Bi4O5I2对盐酸四环素的去除率达到91.3%，光吸收范围变大，对可见光的利用率升高。该工作通过构建有机无机材料异质结气凝胶光催化剂为污水降解领域提供了理论支持和数据支撑。
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