摘要
随着环境污染及能源短缺的日益加重，太阳能光催化作为一种绿色、环保、可持续的污染物降解技术得到了广泛的研究和应用。众所周知，到达地面的太阳能由紫外光（5%），可见光（43%）和近红外光（52%）三部分组成。传统的光催化剂，如 TiO2，ZnO等只能利用紫外光。窄带隙的半导体，如 BiOCl，BiOI，可以被紫外-可见光同时激发。然而，占太阳光谱52%的近红外光仍然不能得到有效应用，这导致了极大的能源浪费。为了实现太阳全光谱的有效利用，合理设计具有高效近红外光响应的光催化剂是当务之急。稀土掺杂上转换发光材料可以通过反斯托克斯发光将低能量的近红外光转换为高能量的紫外-可见光。因此，将上转换发光材料与窄带隙光催化剂复合是实现太阳全光谱利用的有效策略。与此同时，为了实现近红外光下的高效光催化，需要着重考虑以下两方面：（1）提高上转换发光材料的紫蓝光发射占比及发光强度；（2）增强上转换发光材料和光催化剂之间的能量传递效率。综上，本论文的主要研究内容和结论如下： （1）采用两步水热法合成了具有深紫外发射的新型花苞状LuF3: Yb3+/Tm3+上转化纳米粒子。在980 nm激光激发下，分别在254和288 nm处表现出深紫外发射，在346和362 nm处表现出紫外发射，在452和478 nm处表现出蓝光发射。采用溶剂热法将 BiOCl 外壳包覆在 LuF3: Yb3+/Tm3+上，成功制备了具有UV-Vis-NIR 响应 的 LuF3: Yb3+/Tm3+@BiOCl 上转换光催化剂。LuF3: Yb3+/Tm3+@BiOCl 优异的核壳结构被一系列的测试表征所证实，这为 LuF3: Yb3+/Tm3+与BiOCl之间高效的能量传递提供了必要条件。LuF3: Yb3+/Tm3+@BiOCl中Tm3+的 1G4能级的荧光衰减进一步证明了LuF3: Yb3+/Tm3+和BiOCl之间存在高效的 F?rster 共振能量转移通道（ FRET ）。光电流和 EIS 测试表明， LuF3: Yb3+/Tm3+(10)@BiOCl 具有较大的光电流响应和较小的界面转移电阻。在 λ＞800nm和λ＞400 nm（带滤光片的300 W氙灯）的光照射下，LuF3: Yb3+/Tm3+@BiOCl的光催化性能始终高于纯BiOCl，LuF3: Yb3+/Tm3+(10)@BiOCl对亚甲基蓝（MB）的降解效率较纯BiOCl分别提高了42%和64%。 （2）通过高温煅烧的方法在LuF3: Yb3+/Tm3+上原位生长了Lu6O5F8: Yb3+/Tm3+壳层，增强了上转换纳米粒子的发射强度。其中，蓝光发射的强度增强了2.36倍。通过溶剂热法在LuF3: Yb3+/Tm3+@Lu6O5F8: Yb3+/Tm3+外包覆上带隙更窄的BiOI壳层，形成了LuF3: Yb3+/Tm3+@Lu6O5F8: Yb3+/Tm3+@BiOI上转换光催化剂，实现了对太阳能更大限度的利用。溶剂热法形成的紧密核壳包覆实现了 LuF3: Yb3+/Tm3+@Lu6O5F8: Yb3+/Tm3+和BiOI之间高效的F?rster共振能量转移。同时，异质结构的形成还加速了光生电子-空穴对的分离和转移。研究结果表明，在近红外光和可见-近红外光照射下，LuF3: Yb3+/Tm3+@Lu6O5F8: Yb3+/Tm3+(20)@BiOI对双酚A（BPA）的降解率分别是LuF3: Yb3+/Tm3+(20)@BiOI的1.24和1.11倍，是BiOI的1.57和1.30倍。同时，在可见-近红外光照射下，LuF3: Yb3+/Tm3+@Lu6O5F8: Yb3+/Tm3+(20)@BiOI在45 min内基本实现了MB (20 mg/L)的完全降解。带隙分析、自由基捕获实验和EPR测试表明h+和?O2-是去除污染物的活性物质。 本文所得研究结论将为近红外光响应光催化剂的合理设计及有机污染物的高效降解提供有益的参考。
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