可见光响应Bi2WO6光催化剂的合成及其光催化性能研究

论文摘要

本文简要地概述了半导体光催化技术的原理，影响半导体光催化剂光催化性能的主要因素和半导体光催化剂的改性技术；对目前国内外多元氧化物半导体的研究进展和半导体光催化技术在环境净化方面的应用进行了较为详细地综述。在此基础上，确定了以Bi2WO6光催化体系作为研究对象，旨在通过新的合成方法或合成原料，来优化控制Bi2WO6的形貌，并探究其光催化降解有机物的性能，为可见光响应Bi2WO6光催化剂的理论研究和实际应用提供指导。本文通过X射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（FESEM）、紫外可见漫反射谱（UV-vis DRS）、傅立叶变换红外光谱（FT-IR）及比表面积和孔径测定（BET）对所制备样品进行了表征。本文采用熔盐法和水热法成功地合成出不同形貌的Bi2WO6粉体，并与传统固相反应法制得的粉体作对比。通过光催化降解甲基橙对样品的可见光（λ>400 nm）催化性能进行研究。实验结果表明：水热法合成的样品具有最高的可见光催化活性，熔盐法其次，固相反应法的最低。这是因为水热法制得的粉末样品具有最小的晶粒尺寸和最高的比表面积。粒径越小，电子和空穴的复合几率就越小，光催化活性越高；比表面积越大，反应面积就越大，有机物的吸附能力也越强，光催化活性越高。熔盐法合成样品所需温度（350℃）远远低于固相反应法所需温度（900℃），这是由于盐熔体的形成，使反应成分在液相中的流动性增强，不仅大大提高了反应物的活性，还扩大了反应接触面积。熔盐法的反应过程以及随后的清洗过程，有利于杂质的消除，形成高纯的反应产物。因此，熔盐法不失为合成高纯的符合化学计量比的多组分氧化物粉体最简单的方法。本文通过调节水热沉淀前驱体的pH值对水热合成Bi2WO6粉末样品的形貌进行调控。随着pH值从1增加到7，Bi2WO6由三维的花球状结构逐渐向二维的片状结构转变，光催化活性随之降低。选用不同的表面活性剂（聚乙烯吡咯烷酮（PVP），已二胺四乙酸（EDTA），十二烷基苯磺酸钠（SDBS））实现了Bi2WO6纳米结构的可控自组装，并对其合成的机理和光催化活性进行了探讨。通过添加PVP，EDTA，SDBS，分别合成出了球状、圆片状和绣球状的Bi2WO6粉末样品。圆片状Bi2WO6纳米结构的形成主要有3个步骤：首先，反应条件的剧烈变化使结晶作用加剧，生成大量细小的Bi2WO6纳米晶，而后这些纳米晶结晶成为具有单晶结构的Bi2WO6纳米片，这些尺寸很小的Bi2WO6纳米片再进行自组装，形成具有圆片状的单元。为了进一步了解光催化降解甲基橙的过程，对水热反应产物降解甲基橙溶液的机理进行了初步探索；考察了光催化降解的最佳进行条件和Bi2WO6光催化剂的稳定性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 半导体光催化反应机理
• 1.3 影响半导体光催化剂光催化性能的主要因素
• 1.3.1 催化剂本身的影响
• 1.3.2 反应条件的影响
• 1.3.3 降解物本身的因素
• 1.4 半导体光催化剂的改性技术
• 1.4.1 半导体表面贵金属的沉积
• 1.4.2 金属离子掺杂
• 1.4.3 有机染料光敏化
• 1.4.4 半导体材料的复合
• 1.5 多元氧化物半导体光催化剂的研究进展
• 1.5.1 固相法
• 1.5.2 水热法
• 1.5.3 化学溶液分解法
• 1.6 半导体光催化技术在环境净化方面的应用
• 1.6.1 抗菌除臭
• 1.6.2 分解污水中的有机物
• 1.6.3 空气净化
• 1.6.4 农药的去除
• 1.7 本研究工作的主要内容和意义
• 参考文献
• 第二章 实验原料、设备及原理
• 2.1 实验原料与设备
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 实验设备
• 2.2 实验方法和依据
• 2.2.1 固相反应法
• 2.2.2 熔盐法
• 2.2.3 水热法
• 2.3 测试方法
• 2.3.1 X射线衍射分析（XRD）
• 2.3.2 场发射扫描电子显微分析（FESEM）
• 2.3.3 紫外-可见漫反射光谱（DRS）
• 2.3.4 紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）
• 2.3.5 傅立叶变换红外光谱（FT-IR）
• 2.3.6 比表面积和孔径测定（BET）
• 2.4 光催化活性的表征与测试
• 2.4.1 自制光催化实验反应装置
• 2.4.2 灯源的发射光谱及滤光片
• 2.4.3 甲基橙的性质和标准曲线
• 2.4.4 光催化实验方法与步骤
• 2.5 实验技术路线
• 参考文献
• 2WO₆光催化剂的熔盐法和水热法合成'>第三章 Bi₂WO₆光催化剂的熔盐法和水热法合成
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 主要试剂
• 3.2.2 样品的制备
• 3.2.3 样品的表征
• 3.3 结果与讨论
• 2WO₆晶相结构的影响'>3.3.1 制备方法对Bi₂WO₆晶相结构的影响
• 2WO₆表面形貌的影响'>3.3.2 制备方法对Bi₂WO₆表面形貌的影响
• 2WO₆表面羟基的影响'>3.3.3 制备方法对Bi₂WO₆表面羟基的影响
• 2WO₆紫外-可见漫反射谱的影响'>3.3.4 制备方法对Bi₂WO₆紫外-可见漫反射谱的影响
• 2WO₆比表面积的影响'>3.3.5 制备方法对Bi₂WO₆比表面积的影响
• 3.3.6 可见光降解甲基橙
• 3.3.7 三种制备方法的比较
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 2WO₆光催化剂的形貌调控及其光催化性能'>第四章 Bi₂WO₆光催化剂的形貌调控及其光催化性能
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 主要试剂
• 4.2.2 样品的制备
• 4.2.3 样品的表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 不同pH值系列样品的表征
• 4.3.2 不同表面活性剂系列样品的表征
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 2WO₆光催化剂降解甲基橙的机理与工艺初探'>第五章 Bi₂WO₆光催化剂降解甲基橙的机理与工艺初探
• 5.1 引言
• 5.2 甲基橙的光催化降解机理
• 5.3 空白实验
• 5.4 光催化反应条件对光催化活性的影响
• 5.4.1 催化剂用量的影响
• 5.4.2 光照时间的影响
• 5.5 光催化稳定性的研究
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第六章 结论
• 攻读硕士期间发表及提交的论文
• 致谢