钒酸铋基复合材料的制备、表征及其光催化性能研究

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中国是草甘膦除草剂生产量和使用量最大的国家,草甘膦在生产和使用的过程会造成一定的污染,其污染问题已经极大地影响自然界的生态平衡以及人类的生存环境和健康。因此,需要寻找一种能有效利用太阳光且高效降解草甘膦的方法。而光催化技术因可以高效彻底降解污染物、条件温和以及不产生二次污染等特点受到研究者的追捧。钒酸铋(Bi VO4)可以被可见光激发,但存在电子和空穴重组率快问题,致使其光催化活性较低。因此,设计高效稳定的光催化剂用于降解污染物受到科研工作者的关注。本论文通过利用Mo Se2、Cu S、In2S3、Bi2S3和石墨烯对Bi VO4进行改性研究,以在可见光下降解草甘膦为评价标准。制备的Mo Se2/Bi VO4、Cu S/Bi VO4、In2S3/Bi VO4和Bi2S3/RGO/Bi VO4样品分别使用扫描电子显微镜(SEM)、X-射线粉末衍射仪(XRD)、X-射线光电子能谱(XPS)、荧光光谱(PL)、光电流测试(I-t)和交流阻抗测试(EIS)等表征手段对Mo Se2/Bi VO4、Cu S/Bi VO4、In2S3/Bi VO4和Bi2S3/RGO/Bi VO4的形貌、结构、晶型、发光性质以及光电化学性能进行了表征,同时对样品进行了光催化降解草甘膦性能测试。论文的主要研究内容如下:(1)采用二步水热法成功制备了Mo Se2负载的Bi VO4光催化剂,XRD测试结果表明,Bi VO4和Mo Se2分别属于单斜相和六方晶相的晶型结构,SEM显示Bi VO4直径为0.5-2μm和长度为1-3μm的花生状结构。光催化降解草甘膦的实验结果显示,0.15Mo Se2/Bi VO4催化剂降解草甘膦的效率最佳,在可见光下照射3 h降解草甘膦的降解率为86%,分别是Mo Se2和Bi VO4的5.6和2.2倍。0.15Mo Se2/Bi VO4催化剂循环使用4次的XRD和XPS结果显示,该催化剂具有良好的稳定性和耐光腐蚀性,自由基捕获实验结果表明空穴(h+)和电子(e-)在光催化降解草甘膦过程中发挥重要的作用。(2)采用以Bi(NO3)3·5H2O、NH4VO3、Cu(NO3)2·3H2O和硫脲为原料二步水热法制备p-Cu S/n-Bi VO4 p-n异质结催化剂,DRS显示Cu S和Bi VO4的禁带宽度分别为1.68 e V和2.40 e V,都具有较好的可见光吸收性能,Cu S掺杂量对复合材料的光催化性能有重要的影响。当Cu S掺杂量为8%时,在模拟可见光照射下光照180 min,降解效率达到98%,是Bi VO4的3.8倍,这是由于Cu S颗粒与Bi VO4构成p-n异质结结构,形成内建电场,方向由n型Bi VO4指向p型Cu S,空穴与光生电子得到有效的分离与转移。(3)采用二步水热法制备了四方相In2S3修饰的Bi VO4催化剂。光催化测试结果表明,15%In2S3/Bi VO4催化剂具有明显优于Bi VO4、In2S3和其他不同In2S3含量的In2S3/Bi VO4催化剂的降解能力。荧光和光电流结果表明其具有优异的光电化学性能,进一步证明了光生电子和空穴得到有效的分离,这是由于In2S3和Bi VO4形成异质结。(4)采用一锅水热法和阴离子交换法制备了Z型Bi2S3/RGO/Bi VO4异质结光催化剂,优化了电子介体还原氧化石墨烯(RGO)和硫化钠用量,光催化测试结果表明,随着氧化石墨烯(GO)和硫化钠用量的增加,样品光催化降解草甘膦的效率呈现倒U型,当氧化石墨烯为0.5 wt.%和硫化钠用量为0.10 mmol时,光催化活性最佳。由于RGO作为电子介体,Bi VO4导带中的光生电子通过电子介体RGO转移,在界面处与Bi2S3的光生空穴重新组合,Bi VO4具有强的氧化能力的空穴和Bi2S3具有强的还原能力的电子可以有效降解草甘膦,从而提高其光催化活性。
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