新型可见光催化剂制备及评价

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1、山东大学博士学位论文摘要近些年来，环境污染日益严重，成为威胁人类生存的一个严重问题。为了解决这一难题，人们展开了治理污染、保护环境的科学研究。以半导体为催化剂，利用太阳光催化氧化有毒污染物质作为一种有效的治理污染方法，成为环境保护科学研究的一个热点。纳米TiO。具有很高的稳定性、较强的光催化能力，无毒无污染等突出的优点，在光催化领域被广泛地研究和利用，并已经有了成熟的商业应用。但是TiO：禁带宽度为3．2eV，对应的光吸收波长为387．5nm，光吸收仅仅限于紫外光区，此波段的光能量占照射到地面的太阳光的5％。可见光部分的比例占太阳能的45％

2、，而实际到达地表的太阳辐射能量集中于460一500nm波长范围。因此如何高效地利用自然光进行光催化反应，开发能够被可见光激发的光催化剂正日益引起人们的兴趣。近年来，更多的研究者将研究的重点放在了寻找具有不同晶体形貌的双相金属氧化物上，通过拓展光吸收范围至可见光区，以开发新型光催化剂。Bi2W06是最简单的Aurivillius型氧化物，为层状结构，含有wO。钙钛矿结构片层，具有介电、发光、离子导体、催化等特性，广泛应用于相关领域。最近的许多研究发现，Bi2W06具有可见光光催化性能，可用于在可见光下光解水和降解有机污染物。微波水热方法具有清

3、洁、高效的优点。不同于普通水热方法动辄几十个小时的反应时间，研究结果表明，在180℃的低温条件下，仅仅微波加热60分钟，就可以得到结晶性良好的钨酸铋纳米晶体。我们利用微波水热方法合成了Bi2W06和Bi3．84Wo．1606“两种钨酸铋纳米晶体，并选择不同的水热温度、反应时间和不同的前驱液pH值，考察不同反应条件对纳米晶体的物相结构、形貌和可见光参与下的光催化特性。在酸性条件下，XRD、SEM和TEM结果显示，利用微波水热方法很容易形成Bi。w0。纳米片，并且随着反应条件的变化，纳米片按照不同的结构形式构成多种复合结构(superstruc

4、ture)。我们还通过调节前驱液的pH值来调制钨酸铋纳米晶体的形貌。SEM和TEM的表征结果显示，在前驱液处于酸性时，微波水热法制备得到由Bi：wO。纳米片组成的不同形状的复合结构。当前驱液pH值小于1时，由于(Bi：0：)2+山东大学博士学位论文。层的水解，导致参与晶体形核与长大的Bi3+的量减少，导致晶体的结晶性比较差，随着pH值的升高，纳米片的结晶性变好，纳米片组成的复合结构也随之变化，呈花朵状，当pH值超过中性到达9时，产物中开始出现第二相Bi。．。。Wo．。e0。．。。，并且随着pH值的升高，Bi。．鲥W⋯。0。删相的比重也增大，

5、晶体的形貌也随之改变，Bi：WO。纳米片减少并且退化成球状，Bi啪。wo．。。06．。。晶体形貌也由八面体过渡到近似于球状。我们认为，前驱液中H。WO。和Bi(O}玑在不同pH下的溶解度和沉淀程度不同导致了钨酸铋纳米晶体的不同形貌。BiWO纳米晶体的光吸收性能采用UV-vis漫反射进行检测，不同条件得到的Z0BiWO晶体的吸收边差别不大，都是在420nm，对应的禁带宽度在2．95eV，相对于Zb高温固相下的2．68eV，有明显的蓝移，这是因为纳米材料的尺寸效应造成的。我们采用罗丹明B水溶液作为降解的有机物，来研究钨酸铋晶体在可见光条件下的光

6、催化性能。结果显示，pH在0．25—1．98之间时，在180C下微波水热反应60分钟，得到地BiwO纳米晶体的光催化性能是最好的。随着pH值的升高到达中性，由于ZbBiwO纳米片的厚度增加，片层之间的空隙变小，导致了可见光条件下的光催化效Zb率降低，当前驱液的pH超过7到达9时，产物中开始出现第二相Bi。．。，w0．。。06．：。，催化效率继续降低，等到前驱液的pH值超过10，产物中的Bi枷。W。．．。0e．z一相占据主导，Biwo晶体含量极低时，对应的光催化能力几乎消失。这充分说明，在可见光条件Zb下，产物的光催化能力来自于Biw0晶体，

7、并且与Biwo晶体纳米片组成的复合结ZOZb构有密切关系。我们同样采用微波水热法合成了同为Aurivillius结构的Bi。M006纳米晶体，着重讨论了不同pH条件下锢酸铋晶体的形貌与光催化特性。当前驱液的pH值为0．22(强酸环境)时，产物为Bi：MoO。纳米片，晶体的结晶性很好，按照一定的空间结构团聚在一起，纳米片的片层比较薄。当前驱液的酸性变弱时(pH值为I．67和5．46)，Bi：MoO。的形貌开始发生变化，片层厚度增加。当前驱液为中性(pH值为7．oo时)，SEM电镜照片中可以看到夹杂在Bi。MoO。纳米片中的第二相Bi。．洲。仉

8、．。06，。。出现。这些Bi。．。M魄。。魄。晶体形貌呈实心球状，没有观察到明显的晶面，但是，同一视野里面的山东大学博士学位论文Bi。MoO。纳米片仍保持着较好的结晶性，保持片状