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Cu/WO3纳米材料的制备及光催化性能研究
摘要:本实验以二水合钨酸钠、盐酸、三水合硝酸铜作为原料,使用水热合成法制备Cu掺杂WO3(Cu/WO3)的纳米材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)对Cu/WO3材料进行表征,研究其结构与形貌。并用可见光分光光度计研究了不同的Cu/WO3纳米材料以及纯WO3纳米材料在高压汞灯下对亚甲基蓝溶液的光催化降解性能。结果表明,制备Cu/WO3的最佳反应条件为掺Cu量12.5%、反应时间12h、反应温度80℃。该反应条件下合成的产品,在高压汞灯照射60min下对10mg/L的亚甲基蓝溶液的光催化效率可达91.8%。
关键词:WO3掺杂;亚甲基蓝;光催化
绪论
近年来,随着科技的进步和工业的迅速发展,人类的物质生活水平也随之提高。也正因如此,环境污染问题变得愈发严重,而废水难以处理的问题尤为明显。所以,现阶段的我们迫切地需要一种能够解决这类问题的材料来处理废水。近来作为研究热点的光催化材料,因其具有反应温和、反应效率高、处理成本较低并且没有二次污染[1],还能直接利用太阳能降解水中的污染物,从而达到水体净化等优势,因此光催化材料被认为是一种极其具有前景的治理水体污染的净化技术。
近来,纳米材料受到了各行各业的关注。同时,纳米材料的所具有特殊性能也是人们想要深耕的课题,例如其吸附性、导电性、光催化等多种性能,纳米材料所具备的多种特殊性能[2-7],使其在生物医学[8]、废水处理[9]、电子设备[10]、涂料[11]、传感器[12]等领域得到了广泛的应用。研究发现,在纳米材料上进行贵金属表面沉积或离子掺杂所制备出的纳米复合材料,其性能会在很大程度上的得到优化,因此对于掺杂纳米材料的研究对于今后的纳米材料研究是非常有意义的。
WO3纳米材料的特性及其研究进展
WO3纳米材料的特性
纳米WO3作为一种半导体材料,具有气敏性[13-14]、电致变色[15]、光致变色[16]、光催化[17]等性能,这些性能使得三氧化钨纳米材料在光学、磁学、涂料等领域具有一定的优势,同时在电子、生物医学等行业中具有一定的价值。与此同时,三氧化钨还具有稳定性高、绿色环保、矿物油组员丰富和成本低等优点,这些优点使得纳米三氧化钨材料受到了各行各业的热切关注。
WO3纳米材料的研究进展
在各种能与可见光反应的材料中,三氧化钨由于带隙窄,能够吸收紫外光及可见光(520nm以下),能够有效降解污水中的有毒污染物和有机物,因此近年来在光催化领域受到关注。目前制备三氧化钨纳米材料的方法主要有水热合成法、溶胶凝胶法、化学液相沉积法、静电纺丝法及其其他方法,其中应用最广泛的是水热合成法。下面列举集中制备方法的研究进展:
溶胶-凝胶法。张得全[18]等人在玻璃基底上采用了溶胶-凝胶法制备出了TiO2-WO3纳米复合光催化膜,该材料在紫外光照射60min后,该纳米复合光催化膜对亚甲基蓝(MB)溶液的降解率达到98%;李芳柏[19]等人使用溶胶-凝胶法合成WO3/TiO2纳米光催化剂,对亚甲基蓝(MB)溶液进行降解吸附,分析表明,在TiO2的掺入摩尔比为2%时,
WO3/TiO2的光催化降解效率最高。
化学液相沉积法。刘华俊[20]等人以Na2WO4、C16H33(CH3)NBr、钛酸以及Gd(NO3)3为原料,通过化学液相沉积法以及浸渍法制备出稀土元素Gd和TiO2共同掺杂WO3的纳米复合材料。在经历了5次光催化降解反应之后,纯WO3的光催化降解效率出现了大幅度降低,而掺杂了的WO3的光催化降解效率基本没有变化,此外Gd和TiO2的共掺杂还提高了
WO3利用可见光的效率,同时还增强了WO3的光催化活性和稳定性。
静电纺丝法。魏利娟[21]等人利用静电纺丝法加上后续的退火处理制备出Ag/ZnWO4/WO3复合纳米纤维。考察纯WO3、掺Ag的WO3纳米纤维和Ag/Zn共掺WO3纳米纤维在紫外可见光的照射下对亚甲基蓝溶液(MB)的降解情况。结果表明,在同样的条件下,进行光催化80min,Ag/Zn共掺WO3复合纳米纤维对MB的降解效率可达94%,而纯WO3纳米纤维对
MB的降解效率仅仅只有69%。
水热合成法。水热合成法是将前驱液放入密闭的压力容器中进行无机合成的一种方法。JinLuo[22]等人利用水热法合成WO3/BIOI光催化剂,在可见光的照射下,研究纯WO3、纯BIOI和WO3/BIOI三种材料对甲基橙(MO)的降解速率。结果表明,WO3/BIOI光催化剂对甲基橙的降解速率要比纯WO3、纯BIOI催化剂高得多。
水热法有很多优点是其他制备方法无法比拟的。例如,水热合成法可以直接合成制得多组分物料,而且其产物不需要进行烧结和退火处理,进而能够减少研磨时引入的杂质,避免火法煅烧时产生晶
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