TiO2和BiVO4基可見光催化劑的改性機(jī)制與污染物降解效能.pdf

1、可見光催化技術(shù)被認(rèn)為是解決目前能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的理想途徑。在眾多光催化劑中，TiO2和BiVO4以其來源廣泛、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點，得到人們的青睞。然而，在實際應(yīng)用中，它們分別存在帶隙能較寬（3.2 eV）和導(dǎo)帶底能級位置較低（~0 eV vs SHE）的問題，這使得它們在可見光照射下的電子-空穴對不能有效分離或復(fù)合機(jī)率較高而通常表現(xiàn)出差的光催化活性?；诖?，本論文開展了以下研究工作，通過非金屬離子摻雜、磷酸表面修飾及構(gòu)建復(fù)合體等途

2、徑改善它們的可見光催化活性，并重點揭示改性對光生電荷性質(zhì)及活性的影響機(jī)制。
　　針對TiO2帶隙能較寬，只能在紫外光下被激發(fā)的問題，在結(jié)合醇鹽水解法和溶劑熱法特點的基礎(chǔ)上，發(fā)展了一種相分離的水解-溶劑法合成具有高的摻雜量和分散性的N摻雜納米 TiO2。結(jié)果表明，N摻雜顯著的拓寬了TiO2的光響應(yīng)范圍，使得其可見光催化降解污染物和分解水產(chǎn)H2活性得到顯著改善。值得注意的是，利用該方法制備的N摻雜TiO2的可見光活性高于利用高溫還原性

3、氣氛焙燒法所制備的樣品的，這與其具有高的摻雜量和分散性有關(guān)。氣氛可控（AC-SPS）及時間分辨（TR-SPV）的光電壓測試結(jié)果表明，摻雜所引入的表面態(tài)對TiO2的光生空穴有束縛作用，這有利于光生電荷的壽命的延長及分離效率的提高，是TiO2的可見光催化活性提高的另一個重要原因。此外，利用該方法，還制備了N, S共摻雜的納米TiO2，也得到了類似的結(jié)果，表明相分離的水解-溶劑法是一種普適性的合成非金屬離子摻雜TiO2的方法。
　　光生

4、電荷分離效率是決定光催化劑活性的重要因素。利用磷酸表面修飾改善BiVO4的光生電荷性質(zhì)，以此改善其光催化活性。結(jié)果表明，磷酸修飾增加了BiVO4在水中的表面負(fù)電荷量，提高了其可見光催化降解污染物及氧化水產(chǎn)氧活性。基于Zeta電位、TR-SPV及一系列的設(shè)計實驗的結(jié)果，BiVO4光催化活性的提高主要是由于其增強(qiáng)的表面負(fù)電場誘導(dǎo)光生空穴向表面遷移，從而延長了BiVO4的光生電荷壽命并改善了分離效率。
　　針對BiVO4導(dǎo)帶底能級位置較

5、低，位于其上的光生電子還原能力較差而易于空穴復(fù)合的問題，在綜合考慮 BiVO4的能級結(jié)構(gòu)及其光激發(fā)的熱力學(xué)過程的基礎(chǔ)上，提出了利用高能電子轉(zhuǎn)移保持BiVO4激發(fā)態(tài)電子還原性及改善電荷分離效率的解決思路，通過將具有較高導(dǎo)帶能級的TiO2與 BiVO4進(jìn)行復(fù)合改善BiVO4的可見光催化活性。結(jié)果表明，適量TiO2的復(fù)合能夠延長和改善BiVO4的光生電荷壽命和分離效率。這主要是因為BiVO4向TiO2的可見光生高能電子轉(zhuǎn)移保持了光生電子的還原

6、性并實現(xiàn)了電荷的空間分離。光生電荷性質(zhì)的改善顯著提高了BiVO4的可見光催化降解污染物和分解水產(chǎn)H2活性，在Pt作助催化劑的情況的最佳產(chǎn)氫活性為2.2μmol h-1。
　　針對BiVO4和TiO2晶格匹配度差、電荷傳輸效率低的問題，通過引入磷酸根“分子橋”提高二者的有效連接程度，進(jìn)而提高二者之間的可見光生高能電子轉(zhuǎn)移效率。結(jié)果表明，磷酸根“分子橋”的引入顯著延長和改善了TiO2/BiVO4的可見光生電荷的壽命和分離效率，其光催化