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半导体光催化材料的设计与合成以及其应用于Cr(Ⅵ)还原的研究

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目录

摘要

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 半导体光催化基本原理

1.3 半导体光催化Cr(Ⅵ)还原原理

1.4.1 能带结构的影响

1.4.2 形貌对光催化性质的影响

1.4.3 半导体晶体结构对光催化性质的影响

1.5 提高光催化效率的途径

1.5.1 能带位置的调控

1.5.2 形貌调控

1.5.3 半导体复合异质结

1.5.4 贵金属负载

1.5.5 新型半导体光催化材料的开发

1.6 选题背景及意义

第二章 新型分级结构钨酸铋空心微米棒的合成及其光催化Cr(Ⅵ)还原的研究

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1 实验试剂

2.2.2 钨酸铋空心微米棒的合成

2.2.3 块材钨酸铋的合成

2.2.4 钒酸铋空心微米棒的合成

2.2.5 样品表征

2.2.6 光催化铬离子还原

2.3 实验结果与讨论

2.3.1 Bi-hydro MRs前驱物的合成与表征

2.3.2 分级结构的钨酸铋空心微米棒的合成与表征

2.3.3 空心结构的钨酸铋微米棒的形成机理

2.3.4 能带位置以及表面性质

2.3.5 光催化Cr(Ⅵ)还原

2.3.6 电化学性能测试

2.3.7 光催化CO2还原测试

2.3.8 钒酸铋空心微米棒(BiVO4 HHRs)的合成与光催化性质

2.4 本章总结

第三章 碳量子点包裹在内的MIL-53(Fe)@CQDs的合成与其光催化Cr(Ⅵ)还原的研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 实验试剂

3.2.2 MIL-53(Fe)合成过程

3.2.3 MIL-53@CQDs的制备

3.2.4 样品表征

3.2.5 光催化铬离子还原

3.3 实验结果与讨论

3.3.1 MIL-53@CQDs合成过程示意图

3.3.2 样品的TEM以及SEM形貌与结构表征

3.3.3 MIL-53(Fe)@CQDs中存在碳量子点的表征

3.3.4 光的吸收特性与能带位置

3.3.5 光催化Cr(Ⅵ)还原测试

3.3.6 光催化效率提升机理研究

3.4 本章总结

4总结与展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

声明

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摘要

随着现代工业的快速发展,环境的负担也越来越重。重金属离子由于其毒性大、在自然环境中比较稳定、在水中滞留时间长等特点,成为水污染领域急需解决的难题之一。其中六价金属铬离子Cr(Ⅵ)作为一种重金属污染物,被认为是一种极具毒性并且具有致癌的物质。利用一种高效经济的方法来来处理废水中的六价铬离子对于环境与人类健康的保护具有重大的意义。传统的Cr(Ⅵ)处理方法包括:化学沉淀法、物理吸附法、电解法等。但是这些方法具有金属离子移除效率低、成本高、容易产生二次污染等缺点。近年来利用光催化技术,以半导体材料为催化剂将高毒性的CrⅥ)还原为低毒性的三价铬离子Cr(Ⅲ)被认为是一种有效的、低成本的、并且不会产生其他有害物质的方法。但是传统的光催化Cr(Ⅵ)还原材料如TiO2、CdS、SnS2、Ag2S、WO3等受限于电子空穴复合严重、比表面积小、禁带宽度大而只能利用太阳光中的紫外区域、对光的吸收效率低等缺点,导致其光催化效率低下。基于以上因素,本论文研究项目旨在设计与合成高效的光催化Cr(Ⅵ)还原半导体纳米材料。具体研究如下:
  1、通过水热法合成了一种新型的具有分级结构的Bi2WO6空心微米棒光催化材料,并且这种微米棒是由很多Bi2WO6纳米薄片堆积而成。有趣的是,我们发现硝酸铋能够在水中水解后产生均匀的棒状产物Bi6O5(OH)3(NO3)5·3H2O,并以此棒状水解产物为模板,加入钨酸钠后通过水热反应,生成了一种新型的Bi2WO6空心微米棒分级结构。研究发现这种形貌的形成是由于柯肯达尔效应下,WO42-首先与棒状前驱物表面反应生成较小的Bi2WO6纳米颗粒然后生成片状Bi2WO6,然后随着反应进行,前驱物里面的物质逐渐移动到表面与溶液中的WO42-反应,最后形成了这种片状组成的Bi2WO6中空微米棒。通过对这种超级结构的Bi2WO6空心微米棒进行光催化Cr(Ⅵ)还原测试,发现相对传统的块材Bi2WO6其光催化效率有了较大幅度的提升。进一步的研究发现这主要得益于其较大的比表面积、较高的电子空穴分离效率以及较高的对光的吸收强度。
  2、开发了一种新的碳量子点包裹在MOFs中的复合材料。我们通过双溶剂法将葡萄糖灌入到一种金属有机骨架材料MIL-53(Fe)中,进一步通过在氮气氛围下200℃热处理之后发现在不破坏MOFs的整体形貌及晶体结构的情况下,在MOF孔道内形成了碳量子点。并且通过荧光光谱、氮气吸脱附、高倍透射电子显微镜等表征证明了碳量子点在MOF内的形成。通过与纯的MIL-53(Fe)相比这中复合材料的光催化Cr(Ⅵ)还原活性有了明显的提升。本文又通过紫外-可见吸收谱、光电流、电化学交流阻抗以及一系列对比实验对其机理进行了阐明。结果显示碳量子点包裹在MIL-53(Fe)内可以增强材料对光的吸收、增加光生电子空穴的分离效率,从而增强了其光催化Cr(Ⅵ)还原效率。

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