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基于BiVO4纳米纤维的异质结材料制备及其光催化性能研究
摘要
随着科技的迅速发展和工业化水平的完善,人们的生活质量不断提高,然而,环境
污染的问题也愈发严重。在众多解决环境污染的方法中光催化技术因其操作简单、高效
和环保的特点从中脱颖而出,该方法经过数十年的发展已经愈发完善。然而传统方式制
备出的光催化剂仍然存在一些缺陷,弥补这些缺陷常见的方式包括将催化光源由紫外光
波段转向可见光波段、半导体材料结合形成异质结或者掺杂金属粒子、改变材料的结构
等。本文通过静电纺丝的方式增加了光催化材料的比表面积,使其可以充分与污染物接
触且利于回收,防止二次污染;通过BiVO4和BiPO4结合形成异质结的方式增强光电流
响应能力从而增强催化性能;根据表面等离激元共振效应(Surfaceplasmonresonance
effect,SPR)通过掺杂Ag的方式增加光生载流子的数量从而进一步提升催化效果。本
文具体的研究内容如下:
1.以乙酰丙酮氧钒、五水硝酸铋和有机溶剂作为原材料配置前置液,通过静电纺丝
装置制备出BiVO4纳米纤维。该方式制备出的BiVO4纳米纤维表面光滑且粗细均匀。再
使用热溶剂法将BiPO4与BiVO4纳米纤维结合,通过改变五水硝酸铋和磷酸二氢钠的使
用量,制备了不同比例的BiVO/BiPO异质结光催化剂。以盐酸四环素(Tetracycline
44
hydrochloride,TC)作为污染源进行光催化实验。实验结果表明,样品BVPO-2在1h
内对盐酸四环素的降解率为77.62%,平均光催化速率是BiVO4的1.85倍,BiPO4的
15.63倍。这是因为在这两种物质结合形成异质结后,光生电子和空穴的分离速率变快
且不容易重新结合从而提高材料的光催化活性。
2.将BiVO/BiPO泡在不同含量的硝酸银溶液中,在紫外灯的照射下硝酸银分解
44
生成Ag单质附着在BiVO/BiPO表面,通过控制硝酸银的用量制备出不同比例的
44
Ag/BiVO/BiPO。催化TC实验结果表明,AgBVPO-2在1h内对盐酸四环素的降解率
44
为87.06%,平均光催化速率是BiVO4的2.7倍,BiPO4的22.78倍,BVPO-2的1.46倍,
表现出优异的效果。电化学阻抗谱(Electrochemicalimpedancespectroscopy,EIS)显示
BiVO/BiPO和Ag/BiVO/BiPO的阻抗较低,表明他们具有更好的电荷转移性能,瞬态
4444
光电流响应表明异质结的形成和Ag粒子的加入可以提高电子和空穴对的分离效率;在
稳态光致发光(Photoluminescence,PL)光谱中可以看到BiVO/BiPO和Ag/BiVO/BiPO
4444
的发射峰较低,表明两种催化剂中光生电子和空穴的复合速率低,不容易复合。捕获实
+-
验结果表明h和·O是BiVO/BiPO和Ag/BiVO/BiPO催化TC的主要活性物质。根据
24444
哈尔滨工程大学硕士学位论文
BiVO4和BiPO4的导带、价带和禁带宽度的数据,结合捕获实验的结果可以推断出
BiVO/BiPO异质结光催化剂和Ag/BiVO/BiPO异质结光催化剂的光催化反应机理。
4444
关键词:BiVO;光催化;静电纺丝;异质结;SPR
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