银[I]基半导体复合材料的制备及光催化性能研究

光催化技术是一种利用太阳光、无二次污染、能彻底分解有机污染物的环境控制技术.目前,对可见光利用不充分和催化剂的量子效率低成为了制约光催化技术发展的主要因素.因此,拓展光催化剂的光响应范围和提高催化剂的量子效率成了发展光催化技术的当务之急.银[I]基半导体材料虽具有极好的光催化活性,但其易受光腐蚀,导致其不稳定.本论文旨在将银[I]基半导体材料与其它的支撑材料(氧化石墨烯、氮掺杂石墨烯和类石墨相的氮化碳)或半导体材料形成复合物,增强对染料的吸附能力,减小带隙宽度,提高光生电子-空穴对的分离效率,从而提高其在可见光下催化降解有机染料的活性和稳定性.主要内容如下:1.利用氧化石墨烯(GO)-Ag(NH3)2+与NaHCO3通过简单、有效的沉淀法制备了GO-Ag2CO3复合材料,在可见光照射下复合材料对于罗丹明B、甲基橙和亚甲基蓝等有机染料的降解具有比纯的Ag2CO3更高的光催化活性.当复合材料中GO的质量分数为0.9%时,对于罗丹明B具有最高的光催化降解效率,是纯的Ag2CO3的2倍.GO-Ag2CO3复合材料增强的光催化活性归因于增强的光吸收、光生电子的高的迁移效率和良好的电子受体抑制了光腐蚀.GO的引入有效地抑制了Ag2CO3的光腐蚀,这是由于光生电子从Ag2CO3的表面转移到了GO薄片上减少了Ag+变成Ag0的可能性,这导致了在光催化反应中GO-Ag2CO3复合材料可以拥有增强的稳定性和可循环性.GO-Ag2CO3复合材料对罗丹明B的降解主要归因于空穴和超氧根离子自由基,而羟基自由基在整个过程中仅仅起到了相对很小的作用.同时我们提出了可能的机理.这个简单直接的方法在构建不同的GO基的异质结构光催化剂方面具有潜在的应用.2.采用简单的共沉淀法制备了氮掺杂石墨烯(NG)-AgX@Ag (X=Br, Cl)复合材料.在可见光照射下降解罗丹明B染料,复合材料比相应的AgX@Ag具有更高的光催化活性,这可能归因于NG修饰后更多的光吸收,增强的吸附能力和更有效的光生电子-空穴对的分离三者的协同效应.NG-AgX@Ag (X=Br, Cl)复合材料对于罗丹明B的降解效率分别为86%和89%,分别为相应的AgX@Ag(X=Br, Cl)的2倍和1.8倍.所制备的复合材料还具有相对高的稳定性.该研究为新型、高效和稳定的使用可见光作为能量来源的氮掺杂石墨烯基的等离子体光催化剂提供了新的发展可能.3.采用两步法,即在马弗炉中550°C直接煅烧三聚氰胺4h制备类石墨相的氮化碳(g-C3N4)和原位沉淀法制备了一系列含有不同g-C3N4量的g-C3N4/Ag2CO3亚微米棒复合材料.我们发现对于在可见光照射下降解染料,含适量g-C3N4的g-C3N4/Ag2CO3亚微米棒复合材料具有比纯的Ag2CO3亚微米棒更高的光催化活性.当复合材料中g-C3N4的质量分数为3.5%时,对于罗丹明B和亚甲基蓝具有最高的光催化降解速率常数,分别为纯的Ag2CO3的2倍和1.7倍.该工作提供一种简单、高效的通过使用太阳能去除有机污染物的方法.4.采用简单的水热(溶剂热)法制备了三种形貌的ZnO纳米材料:ZnO纳米棒、ZnO纳米粒子和ZnO纳米短棒.然后采用原位沉淀的方法成功地制备了三种具有不同摩尔比的Ag3PO4-ZnO复合材料.并且研究了不同的Ag3PO4和ZnO摩尔比对复合材料在可见光照射下降解染料罗丹明B的光催化性能的影响,发现Ag3PO4和ZnO摩尔比分别为1:40、1:40和1:120时,Ag3PO4-ZnO纳米棒(1:40)、Ag3PO4-ZnO纳米粒子(1:40)和Ag3PO4-ZnO纳米短棒(1:120)复合材料具有比相应的纯的ZnO更高的光催化活性.同时,它们的循环降解性能均优于纯的Ag3PO4纳米粒子.最后研究了不同的捕获剂对于其催化效率的影响,结果表明Ag3PO4-ZnO复合材料降解罗丹明B主要归因于羟基自由基或空穴的直接氧化.5.先采用已经报道的水热法制备了花状的Bi2O2CO3微米结构,接着原位沉淀法制备了Ag3PO4-Bi2O2CO3复合材料.对于罗丹明B的降解,制备的复合材料与纯的Bi2O2CO3相比,具有更高的可见光催化活性.增强的光催化活性归因于变窄的带隙导致的增强的光吸收和光生电子-空穴对的有效的分离.光催化反应遵循准一级反应动力学.罗丹明B溶液的初始浓度越低,Ag3PO4-Bi2O2CO3复合材料对其降解效率越高.最后,Ag3PO4-Bi2O2CO3复合材料对罗丹明B的降解主要归因于空穴和超氧根离子自由基,而羟基自由基和电子在整个过程中仅仅起到了相对很小的作用.6.通过硝酸银和亚硫酸钠之间简单的沉淀法制备了Ag2SO3亚微米粒子,并且对纯的Ag2SO3的光催化性能进行了系统的研究:通用的有机染料(罗丹明B、亚甲基蓝和甲基橙)降解能力、循环能力、反应动力学和添加不同的捕获剂对其降解效果的影响.结果表明:对于罗丹明B的降解,Ag2SO3亚微米粒子具有比商用TiO2(P25)更高的可见光催化活性,准一级反应动力学常数约为1.7倍;加入牺牲剂Na2SO3后,可以有效地抑制循环光催化降解有机染料反应过程中Ag2SO3亚微米粒子的光腐蚀;Ag2SO3亚微米粒子对罗丹明B的降解主要归因于空穴和超氧根离子自由基,而羟基自由基在整个过程中仅仅起到了相对很小的作用.为了提高其光催化活性和稳定性,我们还尝试制备了GO-Ag2SO3、Ag2SO3/Ag2SO4和Ag2SO3@SiO2复合材料.