摘要
随着世界经济的快速发展,能源短缺与环境污染问题日益严重,新能源的开发和利用已成为社会可持续发展的重要影响因素.光催化技术可利用体系中产生活性官能团,降解废水中的抗生素,还可利用材料本身性质发生氧化还原反应以分解水制氢产氧,将太阳能转化为化学能.单斜相钒酸铋(BiVO4)作为一种新型的可见光响应型光催化剂,因其较窄的禁带宽度和较高的可见光光催化活性而受到广泛的关注,但其一些固有的缺点,如电荷迁移率慢、光生载流子复合速度快及光腐蚀问题严重等,导致其量子转换效率较低,制约其广泛应用.故对BiVO4进行改性以提高其光催化活性己成为开发出高性能光催化材料、提升太阳光水分解整体效率的关键. 本论文以BiVO4为研究对象,通过形貌设计和表面改性等策略提高其光吸收、载流子分离和光反应活性等性能.通过水热法制备多种形貌BiVO4材料,探索其对多种有机污染物的降解及光催化产氧性能研究,深入探讨所合成的BiVO4的形貌结构对有机物分子的吸附与降解反应之间的内在联系,深入探索其反应机理,构筑光催化多重协同效应动力学模型,建立制备方法一材料成分一微观结构一催化性能之间的内在联系.本文研究的主要内容和己得成果具体如下: 1.基于等离子体共振效应设计制备不同贵金属(Au,Ag,Cu,Pt和Pd)修饰的单斜白钨矿型BiVO4微球光催化剂,并用于可见光下降解四环素类抗生素(TC).研究结果表明,等离子体表面改性不仅可降低光生载流子复合率,还可借助其高导电性提高BiVO4的光电化学性能.通过光催化降解测试,改性后的BiVO4(记NM/BiVO4,NM=Au,Ag,Cu,Pt和Pd)的光催化性能都得到了显著改善,其中Cu/BiVO4活性最高,可见光照射下120min内TC的降解率可达69.2%,其降解速率为8.98×10-3min-1,是单体BiVO4的1.6倍,且其光电流密度最高,为0.37μA?cm-2,是单体BiVO4的6.5倍.通过自由基捕获实验表明在光降解TC过程中超氧自由基(?02-)和羟基自由基(?OH)为主要活性官能团. 2.基于晶面效应设计合成不同S010/S晶面暴露比例的多面体BiVO4光催化剂,并在其表面沉积不同尺寸的Au颗粒,用于光降解TC和乙酸及水氧化等多种光催化性能测试.研究结果表明,在可见光照射下.随着{010}晶面面积的增大,光生电子空穴对分离率越高,BiVO4材料的光催化水氧化活性及光降解TC性能越高,其中以十八面体BiVO4光催化剂为研究对象,发现随着Au颗粒尺寸的增大,材料的析氧性能越高. 本论文利用多孔微球结构的设计增强吸收太阳光及多面体设计分离光生电荷,通过表面改性研究了四环素类抗生素TC的光催化降解机制;探讨了晶体形貌对光生载流子分离起到的作用及等离子体Au尺寸大小与可见光活性之间的联系,为设计新型高效光催化剂提供理论依据.
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