鋅、鉍系-石墨烯可見(jiàn)光催化劑的制備及其性能研究.pdf

1、光催化氧化技術(shù)是去除工業(yè)有機(jī)廢水中難生物降解污染物的有效方法，具有極大的開(kāi)發(fā)潛力和良好的應(yīng)用前景。目前，光催化氧化技術(shù)存在光催化劑的量子效率低、可見(jiàn)光利用效率低、光穩(wěn)定性差等問(wèn)題，嚴(yán)重制約著該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。因此，研究開(kāi)發(fā)高活性、高穩(wěn)定性和良好循環(huán)利用性能的可見(jiàn)光催化劑，是國(guó)內(nèi)外水處理領(lǐng)域的重要前沿課題。
　　本論文選取ZnO、ZnSnO3、ZnMoOx、BiVO4和BiOCl光催化劑作為研究對(duì)象，分別將其負(fù)載在具有獨(dú)

2、特的電子特性、較大的比表面積、優(yōu)異的吸附性能和高透光性的石墨烯（graphene，包括還原氧化石墨烯RGO）上，制備了系列具有高效可見(jiàn)光催化活性的鋅、鉍系/RGO復(fù)合型光催化劑。利用X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）、X射線能譜(EDX)、N2吸附、紫外可見(jiàn)吸收光譜（UV-Vis）、傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）、拉曼光譜、紫外可見(jiàn)漫反射光譜(DRS)、光致發(fā)光光譜(PL)、循環(huán)伏安法(

3、CV)和電化學(xué)交流阻抗(EIS)等手段對(duì)復(fù)合光催化劑的結(jié)晶、形貌、吸附性能、能帶結(jié)構(gòu)、化學(xué)結(jié)構(gòu)、光化學(xué)性質(zhì)和電子轉(zhuǎn)移特性進(jìn)行表征。通過(guò)對(duì)目標(biāo)污染物甲硝唑(MZ)、羅丹明B(RhB)或磺胺(SN)模擬廢水在可見(jiàn)光或自然太陽(yáng)光照射下的降解率，評(píng)價(jià)復(fù)合光催化劑的光催化活性。系統(tǒng)研究了特定形貌光催化劑的形成機(jī)理、復(fù)合光催化劑可見(jiàn)光催化性能提高的機(jī)理和污染物的降解機(jī)理，揭示了材料的微觀結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)與光催化性能之間的關(guān)系，探索了高性能可見(jiàn)光催化材

4、料可控構(gòu)筑的新途徑，為鋅、鉍系/石墨烯復(fù)合可見(jiàn)光催化劑的制備和在難降解有機(jī)廢水處理中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。主要研究成果如下:
　　(1)采用碳模板輔助法制備了柱狀ZnO和ZnSnO3納米中空球，將其通過(guò)水熱法進(jìn)一步與石墨烯復(fù)合，制備出了ZnO/RGO和ZnSnO3/RGO新型納米復(fù)合光催化劑。研究結(jié)果顯示:特定形貌的形成源于納米碳球表面的官能團(tuán)通過(guò)配位或靜電作用力聚集大量的Zn2+離子，經(jīng)煅燒處理使碳球消失所致;ZnO/RGO和Z

5、nSnO3/RG均具有優(yōu)異的可見(jiàn)光催化活性，兩者對(duì)MZ的降解效率均提高了30％左右;新型光催化劑活性的提高與復(fù)合RGO導(dǎo)致的高光利用率、高吸附性能和高量子產(chǎn)率有關(guān)。
　　(2)利用超聲波輔助原位生長(zhǎng)技術(shù)制備出菱形ZnMoOx/RGO新型復(fù)合光催化劑。研究發(fā)現(xiàn): ZnMoOx為ZnMoO4和ZnMoO3的混合晶型，原位生長(zhǎng)過(guò)程開(kāi)始于氧化石墨烯(GO)表面的含氧基團(tuán)與Zn2+離子的充分接觸形成的“核心”;復(fù)合3 wt％ RGO的ZnM

6、oOx/RGO催化劑對(duì)RhB的降解率最高，是ZnMoOx降解率(28.4％)的3.4倍，且具有較好的光穩(wěn)定性;ZnMoOx/RGO光催化劑活性的提高歸因子復(fù)合RGO導(dǎo)致的光吸收性能的改善、帶隙的窄化和光生電子空穴對(duì)的有效分離。此外，研究還表明ZnMoOx/RGO具有良好的電容器性能和抑菌性能。
　　(3)提出了一條在低溫水熱條件下，精細(xì)調(diào)控合成不同形貌BiVO4的新途徑。研究表明:該催化劑的形貌可通過(guò)加入氫氧化鈉或氨水的份量來(lái)精細(xì)

7、調(diào)控，不同pH值下BiVO4的最終形態(tài)結(jié)構(gòu)取決于成核作用和晶體生長(zhǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，啞鈴型BiVO4層級(jí)結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程符合典型的奧斯特瓦爾德熟化機(jī)制;光生h+是BiVO4降解體系中的主要氧化物種;形貌可控的BiVO4光催化劑具有優(yōu)越的自然太陽(yáng)光光催化活性。催化劑光催化性能的提高與其比表面積和長(zhǎng)寬比無(wú)關(guān)，而與其特定低溫水熱條件下產(chǎn)生的特定形貌有關(guān)。利用水浴還原法制備出了三維針狀捆型BiVO4/RGO新型復(fù)合光催化劑，研究發(fā)現(xiàn):復(fù)合1wt％RGO的光

8、催化活性最高，對(duì)RhB的降解率為98.5％，比BiVO4提高了65％，且具有較好的穩(wěn)定性;BiVO4/RGO光催化劑活性的提高與比表面積無(wú)關(guān)，而與光吸收性能的改善和電子空穴復(fù)合率的減小有關(guān)。
　　(4)利用化學(xué)沉淀-水浴復(fù)合法制備出了新型BiOCl/RGO復(fù)合光催化劑。研究表明:含有1 wt％ RGO的復(fù)合光催化劑活性最好，對(duì)SN的降解率為82.7％，比BiOCl提高了30％;該復(fù)合催化劑光催化性能的提高與其比表面積和帶隙能無(wú)關(guān)，