【摘 要】
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通过水热法制备的块状BiVO4存在光生载流子复合快、光化学转换效率低、比表面积低、电导率差、染料吸附能力弱等问题。这些问题限制了它在光催化领域中的实际应用。近年来,通
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通过水热法制备的块状BiVO4存在光生载流子复合快、光化学转换效率低、比表面积低、电导率差、染料吸附能力弱等问题。这些问题限制了它在光催化领域中的实际应用。近年来,通过构建异质结结构和组建间接Z-scheme型催化剂的方法来提高复合催化剂光生载流子的分离效率备受人们关注。本文旨在块状BiVO4材料的基础上构建Z-scheme型催化剂和II型异质结结构催化剂,将石墨相氮化碳(g-C3N4)、还原氧化石墨烯(RGO)、氧化亚铜(Cu2O)引入BiVO4体系,对能带结构进行调控加速光生载流子的分离和转移,从而大幅度提升复合光催化剂的催化性能。本文的主要研究内容如下:(1)采用水热和热氧化法结合的方式制备了三元Z型g-C3N4/RGO/BiVO4纳米复合光催化材料。将石墨烯作为电子加速器引入直接Z-scheme型g-C3N4/BiVO4二元纳米复合材料中,构建了间接Z-scheme三元g-C3N4/RGO/BiVO4催化剂,有效地提高了其光催化性能。制备的三元复合材料表现出最佳的可见光响应,具有对罗丹明B(RhB)最优的光催化降解性能。可见光降解反应速率常数为1.537,分别比纯g-C3N4和二元g-C3N4/BiVO4提高了29倍和20倍。BiVO4、RGO与g-C3N4的协同作用及其产生了具有Z-scheme型的电荷转移机制的复合材料,促进了具有强催化活性的光生电子空穴对的快速分离和缓慢复合。我们这种Z-scheme复合光催化剂的设计有望应用于有机染料降解领域。(2)采用水热和多元醇还原的方法制备了三元Ⅱ型Cu2O/RGO/BiVO4复合光催化材料。利用还原氧化石墨烯(RGO)对块状BiVO4进行了修饰,优化了BiVO4晶界的耦合界面,然后在RGO/BiVO4二元体系表面原位生长Cu2O纳米颗粒,生成具有内部电场的Ⅱ型异质结结构。这个结构允许光生电子和空穴向相反方向移动,参与到氧化还原反应。优化后的三元复合光催化材料对有机污染物具有非常好的光催化降解性能。RhB的反应速率常数为0.0324 min-1,分别是纯BiVO4,RGO/BiVO4和Cu2O/BiVO4二元复合材料的5.94,5.15和1.94倍。此外,三元复合材料对无色有机污染物盐酸四环素(TC)也有很好的降解性能性。降解反应速率常数为0.0219 min-1,是纯BiVO4,RGO/BiVO4和Cu2O/BiVO4二元复合材料的1.60,1.40和1.63倍。通过活性物质捕获实验证明空穴和超氧自由基是降解有机物的有效活性物质,三元复合材料降解效率的显著提高不仅归因于异质结结构的形成,而且还归因于Cu2O、RGO和BiVO4界面间电子的快速转移。
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