能級(jí)匹配機(jī)制在半導(dǎo)體光催化氧化苯酚及其衍生物中的研究.pdf

1、針對(duì)酚類廢水普通情況下難以被降解，利用光催化氧化技術(shù)，選用光催化性能高的半導(dǎo)體光催化材料，對(duì)不同的酚類物質(zhì)進(jìn)行光催化氧化，最終將其徹底分解成二氧化碳(CO2)和水(H2O)，是很有應(yīng)用前景的一項(xiàng)技術(shù)。從半導(dǎo)體與有機(jī)污染物的能級(jí)匹配關(guān)系入手，研究不同能帶能級(jí)的半導(dǎo)體光催化劑對(duì)酚類物質(zhì)光催化氧化的性能，為光催化氧化酚類廢水的工業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
　　本文的主要研究思路是采用量子化學(xué)計(jì)算，結(jié)合紫外可見(jiàn)漫反射、莫特-肖特基實(shí)驗(yàn)以及循環(huán)伏安

2、等方法求得TiO2、WO3、V2O5和CdS的能帶能級(jí)，以及苯酚及其衍生物的分子軌道能級(jí)。在能級(jí)匹配機(jī)制下，探討了各半導(dǎo)體光催化劑對(duì)苯酚及其衍生物的光催化氧化性能的差異;探究了光生電荷、空穴和羥基自由基分別對(duì)半導(dǎo)體光催化氧化苯酚及其衍生物的性能的影響及其差異;初步提出并討論了苯酚及其衍生物的光催化氧化機(jī)理。研究結(jié)論如下:
　　1、采用加熱溶解、浸漬、沉淀、研磨、高溫煅燒等方法制備出了CdS、TiO2、WO3和V2O5光催化材料，并

3、制作了WO3-ITO、V2O5-ITO、CdS-ITO與TiO2-ITO導(dǎo)電玻璃薄膜，以及氧化石墨烯-單壁碳納米管/Nafion復(fù)合物修飾玻碳電極。
　　2、采用量化計(jì)算和相關(guān)公式推導(dǎo)，求得苯酚及其衍生物的HOMO和LUMO分子軌道能級(jí)的理論值，以及半導(dǎo)體光催化劑的價(jià)帶和導(dǎo)帶能級(jí)。采用循環(huán)伏安法測(cè)試得到苯酚及其衍生物的氧化還原電勢(shì)，并求出苯酚及其衍生物的HOMO和LUMO分子軌道能級(jí)的實(shí)際值。利用莫特-肖特基實(shí)驗(yàn)測(cè)試和紫外可見(jiàn)漫反

4、射測(cè)試結(jié)果以及n型半導(dǎo)體能帶的能級(jí)關(guān)系圖，計(jì)算得出半導(dǎo)體光催化劑的價(jià)帶和導(dǎo)帶能級(jí)的實(shí)際值。
　　3、利用制備的光催化劑分別進(jìn)行了光催化氧化苯酚及其衍生物的性能實(shí)驗(yàn):CdS、TiO2(P25)、WO3和V2O5光催化劑分別對(duì)苯酚進(jìn)行光催化氧化實(shí)驗(yàn)，二氧化鈦P25分別對(duì)對(duì)二苯酚、苯酚、對(duì)硝基苯酚和對(duì)氯苯酚進(jìn)行光催化氧化實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:在同等條件下，光催化劑對(duì)苯酚的光催化氧化性能的高低次序依次為:TiO2(P25)＞W(wǎng)O3＞V2O5＞C

5、dS，二氧化鈦P25對(duì)苯酚及其衍生物的光催化氧化性能高低依次為:對(duì)二苯酚＞苯酚＞對(duì)硝基苯酚＞對(duì)氯苯酚。根據(jù)熱力學(xué)和電化學(xué)原理分析可知:半導(dǎo)體光催化材料的價(jià)帶能級(jí)電勢(shì)越低，其光催化性能越好。苯酚及其衍生物的HOMO分子軌道能級(jí)電勢(shì)越高，越容易被光催化氧化。
　　4、通過(guò)加入各種活性物質(zhì)犧牲劑，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)三者對(duì)苯酚及其衍生物的光催化氧化所做的貢獻(xiàn)比大致為:空穴(h+)∶光生電子(e-)∶羥基自由基(HO·)=1∶4∶4。