BiOBr基半导体光催化薄膜的制备及其性能研究

来源 :兰州理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yishumi1
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催化剂固载化是实现催化材料循环使用的有效途径,探索固载催化剂在载体材料上的制备工艺,稳定薄膜材料活性及对其进行改性是化学工作者研究的热点。本论文研究了碳及氧空位协同改性BiOBr高效催化材料的制备工艺,探究其增效机制。利用原位生长法将其负载于不锈钢金属丝网(316L WM)上,并进一步利用复合改性提升所制备光催化环境净化薄膜的催化活性,具体内容如下:(1)利用乙二醇甲醚易碳化、具有一定还原性及对原料的溶解性良好的特点,通过溶剂热法及相似相容原理制备含有Bi5+、氧空位(OV)和碳物种的黑色BiOBr光催化剂(B-BiOBr),该材料具有的优异吸附性能协同其光降解活性可快速去除水体污染物。研究表明,良好的吸附性能增强目标降解物在催化剂表面传质过程,缩短了光生载流子及自由基活性物种与目标分子间的作用距离,从而表现出优异的表观光催化降解活性。EPR及XPS结果表明,材料表面存在OV及碳物种,碳物种可同时起到溶氧、水及目标分子捕获及光生载流子传输桥梁的作用。因此,增强了羟基自由基(×OH)和超氧自由基(×O2-)的产生,并确保生成活性物质可以立刻参与到目标分子的氧化过程。FT-IR测试结果显示,B-BiOBr可在8 min后将表面吸附的罗丹明B(Rh B)分子降解掉,表现出优异快速的光催化活性。(2)利用上述最优晶体生长条件,原位制备含有OV负载于316L WM的光催化水体净化网材料(WM/BiOBr),研究导电丝网基材和OV对光催化性能的影响。为增强BiOBr花球在316L WM上的附着力,对所制备净化网进行煅烧处理,250℃煅烧样品命名为S250 WM/BiOBr,而未煅烧样品为S0 WM/BiOBr。光降解实验表明煅烧后样品的表观催化活性下降。经SEM测试发现,煅烧后BiOBr花球发生破碎,I-t、EIS测试结果表明煅烧后样品的光电流密度及载流子传输阻力分别减小和增大,这表明破碎产生的缺陷成为了光生载流子的捕获及复合中心,降低了有效载流子浓度,从而表现出较差的光催化活性。AFM测试表明煅烧后催化剂层厚度降低,而煅烧后BiOBr花球负载量降低约4.4 mg,进一步说明煅烧可使BiOBr分级结构坍塌。经对比称重316L WM,未煅烧的S0 WM/BiOBr中BiOBr花球负载量为14.2 mg。光降解测试结果表明未煅烧样品经40 min降解掉约99%Rh B。利用14.2 mg的前一章B-BiOBr纳米片进行同条件光降解实验,结果表明B-BiOBr纳米片40 min后可降解75%左右Rh B,这表明具有分级结构的BiOBr花球具有更好的光催化降解活性。此外,316L WM具有较大功函,可分离BiOBr光生电子,提高净化网有效载流子浓度,从而表现出更好的光催化降解活性。(3)为进一步促进光生载流子的分离,以及提升光利用效率,以碘化钾(KI)为碘源,水为溶剂,利用离子交换法对S0 WM/BiOBr进行原位BiOI复合改性。复合材料吸收边扩展至600 nm处,增加了光吸收效率。根据文献报道,可知两种半导体具有不同的能带结构,因此可建立内建电场,从而起到增强载流子分离的作用。当KI用量为2.5 mmol时,WM/BiOBr/BiOI复合薄膜在32 min内降解99%左右的Rh B染料,与WM/BiOBr薄膜相比,光催化性能提高了8 min。
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