贵金属改性钨酸铋光催化降解双酚A和气态甲苯的研究

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光催化技术由于具有绿色、无毒、清洁等优点被广泛地应用于污水处理与空气净化中。TiO2是目前研究最多的光催化剂,不过TiO2禁带宽度较宽,无法利用可见光,限制了TiO2的实际应用。Bi2WO6作为一种新型光催化剂,由于其禁带宽度窄、无毒性、成本低等优点受到了广泛的关注。不过Bi2WO6材料的可见光催化活性较低,需要对其进行改性以提高其光催化活性。本文以Bi2WO6为前驱体,利用NaBH4原位还原法制备了含有表面氧空穴的Bi-BWO催化剂,大大提高了Bi2WO6可见光催化降解双酚A(BPA)的效果。并且通过贵金属的同步原位掺杂,制备了Pt/Bi-BWO和Au/Bi-BWO催化剂,进一步提高了Bi-BWO的光催化性能。并将Pt/Bi-BWO用于降解VOCs的实验,探究了Pt/Bi-BWO在空气净化领域的潜力。本文的主要研究与结果如下:(1)本论文利用水热法制备了Bi2WO6材料,并将Bi2WO6作为前驱体,通过NaBH4原位还原法制备了含有表面氧空穴的Bi-BWO催化剂,当Bi2WO6和NaBH4浓度比为1:0.2时,制备得到的催化剂0.2Bi-BWO具有最佳的催化效果,2 h内降解了55.4%的BPA(初始浓度0.2 mM),相对于Bi2WO6(29.3%)的降解率大幅提高了26.1%。氧空穴的产生提升了价带的位置,减小了Bi2WO6的禁带宽度,提高了对可见光的利用率。自由基猝灭实验表明,·O2-和h+是主要的活性基团,·OH是次要的活性基团。氧空穴的存在也会激发O2生成活性氧基团。(2)通过NaBH4同步还原法制备贵金属粒子掺杂的Pt/Bi-BWO和Au/Bi-BWO催化剂。贵金属的同步掺杂进一步提高了Bi-BWO的光催化效果。当Pt的掺杂浓度为0.1%时,Pt/Bi-BWO具有最好的降解效果,2 h内降解了84.4%的BPA。当Au的掺杂浓度为0.15%时,Au/Bi-BWO具有最好的降解效果,2 h内降解了68.9%的BPA。BPA溶液的初始pH值会影响光催化降解的效果,碱性环境有助于催化剂对于BPA的降解。Pt/Bi-BWO光催化活性提高的原因可推断为:通过NaBH4的还原作用,在Bi2WO6表面形成了氧空穴,而Pt纳米粒子的同步掺杂,进一步提高了氧空穴的数量。氧空穴分布在价带上,提升了价带位,减小了禁带宽度,从而提高了催化剂对可见光的利用率。而掺杂的Pt金属粒子和自还原沉积的Bi纳米粒子作为电子捕获剂,促进了光生空穴与电子的分离,进一步提高了光催化降解BPA的效率。(3)将Pt/Bi-BWO应用于降解VOCs的实验,探究其在空气净化领域的潜力。Pt/Bi-BWO在可见光照射下对气态甲苯具有较高的降解率。0.15%Pt/Bi-BWO光催化降解甲苯的反应速率是Bi2WO6的2.88倍,在1.5 h内0.15%Pt/Bi-BWO去除了90%以上的气态甲苯(初始浓度为250ppm),其中80%以上的气态甲苯被矿化为CO2。循环实验证明Pt/Bi-BWO具有较好的稳定性。通过DFT计算模拟了氧空穴和Pt在Bi2WO6(1 3 1)上的位点分布,计算出的Bi2WO6(1 3 1)、Bi2WO6(1 3 1)+Ov7、Bi2WO6(13 1)+Ov7+Pt模型的功函数分别为5.416 eV,5.369 eV,5.181 eV。并且DFT计算也证明Pt/Bi-BWO的结构也有利于O2在其表面的吸附。
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