低维碳材料改性BiVO4光催化剂的载流子动力学及光催化性能探究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘 要 作为一种新型的高级氧化技术，光催化技术因其绿色环保，稳定性好，可重 复利用等优点在解决环境和能源难题中成为了研究的热点。钒酸铋（BiVO ）作为 4 一种新型的可见光催化剂，由于其价廉易得而深得研究者的关注。低维碳材料具 有良好的导电性，利用低维碳材料进行改性的复合光催化体系研究也较多。目前， 研究普遍认为碳材料改性光催化材料后有利于电子和空穴的分离，进而有利于提 高光催化降解性能。在光催化体系中，对于低维碳材料改性使得光催化性能得到 提升的具体机理探究却较少，即对光生载流子的运动过程研究较少，缺乏直接证 据来支撑相关理论。 本论文选用 BiVO4 为主要的催化剂，选用低维度碳基材料（零维碳量子点 CQDs、一维碳纳米管 MWCNTs 、二维还原氧化石墨烯 rGO ）构成改性的复合光 催化剂。针对制备的改性复合光催化剂（CQDs@BiVO 、MWCNTs@BiVO 、 4 4 rGO@BiVO ），论文进行了基本的晶型结构、形貌以及光学性能分析，并在此基础 4 上重点从光生载流子动力学研究、自由基生成及降解机制来研究其低维碳材料改 性的光催化复合体系的光催化性能得到提升的具体机理。其主要得出的结论如下： ①采用水热法制备了光催化剂BiVO 以及CQDs@BiVO 、MWCNTs@BiVO 、 4 4 4 rGO@BiVO4 复合材料。XRD 数据显示，制备出的 BiVO4 为单斜白钨矿晶型，并 且晶型结构未随着碳基材料（CQDs、MWCNTs 及rGO ）的加入而改变。从SEM 图可知，制备的钒酸铋为较规则的球形，大小较均一，粒径约为 5-7μm ；从 SEM 及HRTEM 图得知，碳量子点CQDs 成功制备并且与BiVO4 得到了成功的复合； 制备的 MWCNTs@BiVO4 其团聚现象较为严重，这与其制备方法采用高温煅烧法 有一定的关系，但MWCNTs 仍成功复合；与此同时，SEM 结果及XRD 的结果均 显示出rGO 与BiVO4 的成功复合。 ②从紫外可见漫反射分析结果得出，BiVO4 与另外三种复合物对可见光的吸收 波长范围没有发生迁移变化，但其对光的吸收性能有明显的提高，尤其是碳纳米 管和还原氧化石墨烯的加入，明显的提高了其吸光率。这有利于光生载流子的产 生，从而提高光催化降解效率。XPS 结果分析显示，CQDs、MWCNTs 、rGO 的加 入未改变BiVO4 中原有元素的价态，Bi 、V 元素仍分别以Bi3+ 、V5+离子的价态存 在于复合材料体系中，而不同种类的碳材料的碳元素基团存在一定的差异性。 ③通过光致发光光谱（PL ）及瞬态荧光光谱测试分析得出，在光催化降解过 程中，光生电子与空穴的复合是一个超快的动力学过程，一般所需时间均在纳秒 级别以下；BiVO4 及低维碳基材料形成的复合材料的光生载流子均存在三种荧光寿 I 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 命，一种是导带的电子返回到基态与空穴复合的寿命，一种是导带电子迁移至表 面与空穴复合的寿命，一种是缺陷之间的迁移复合的寿命。MWCNTs@BiVO4 （平 均荧光寿命6.27ns ）和rGO@BiVO4 （平均荧光寿命6.00ns ）复合光催化材料的荧 光寿命要明显高于CQDs@BiVO4 （平均荧光寿命3.57ns ）。 ④