氯氧铋及其复合材料在光催化方面的应用.docxVIP

氯氧铋及其复合材料在光催化方面的应用一 光催化原理光催化是一种在光的照射下，自身不起变化，却可以促进化学反应的物质，就象植物的光合作用中的叶绿素。半导体光催化剂大多是n型半导体材料，都具有区别于金属或绝缘物质的特别的能带结构,即在价带(Valence Band, VB)和导带(Conduction Band, CB)之间存在一个禁带(Forbidden Band, Band Gap)。当光子能量高于半导体吸收阈值的光照射半导体时,半导体的价带电子发生带间跃迁,即从价带跃迁到导带,从而产生光生电子(e-)和空穴(h+)。此时吸附在纳米颗粒表面的溶解氧俘获电子形成超氧负离子,而空穴将吸附在催化剂表面的氢氧根离子和水氧化成氢氧自由基。而超氧负离子和氢氧自由基具有很强的氧化性,能将绝大多数的有机物氧化至最终产物CO2和H2O,甚至对一些无机物也能彻底分解。二 氯氧铋性质氯氧铋分子式：BiOCl，分子量：260.43，属于正方晶系，银白色发亮结晶粉末，揉开有银白色珍珠光泽，溶于盐酸、硝酸，不溶于水、丙酮等。氯氧铋是一种独特的三重氧化物半导体，开放的晶体结构，它的结构是由氯离子层和[Bi2O2]2+层组成，一个[Bi2O2]2+层由两个氯离子层包裹着，形成了一种三明治的结构。结构示意图如下：图1 BiOCl的晶体结构氯氧铋这种特殊的晶体结构，使得它的层间的空间比较大，有助于光诱导电子空穴对的分离，在光催化方面有很好的应用。但是它也存在自身的缺陷，带隙为3.5eV，只能在紫外光有作用。所以，为了解决这样的问题，很多研究者提出和研究了氯氧铋与其他材料制备BiOCl的复合材料，进一步改善其性能。三 文献介绍Bi/BiOCl半导体异质结构作者通过水热法合成了Bi/BiOCl半导体异质结构复合材料，BiOCl中氧空位的存在减少了它的禁带宽度，原位生长在BiOCl表面的Bi纳米粒子增强了电子空穴对的分离，使得合成的复合材料在可见光下有优异的催化活性和稳定性，可应用于染料的分解以及持久性有机污染物(POPs)的降解。实验过程在传统了合成过程中，3 mmol Bi(NO3)3，0.3g CTAB和0.5 ml HCl (12 M)被混合在了6 ml EtOH中，在180℃下反应三小时，便得到了这种含有Bi和BiOCl的复合材料。结构表征图2（a）、（b）是透射电子显微镜图，（a）图是Bi纳米粒子均匀的分布在BiOCl纳米片的表面上，（b）图说明BiOCl层的厚度为30nm左右，这样小的厚度提供了更大的比表面积；（c）是高分辨率透射电子显微镜图，显示了BiOCl的正方结构；（d）图是XRD分析。1.3 性能测试在可见光下，将合成的Bi/BiOCl催化剂应用到RHB染料和有机污染物的分解中，进行性能测试。50mg的催化剂加入到100ml 10mol/L的染料水溶液中，在黑暗环境下搅拌一小时，再在可见光下进行照射测试。得到的数据图如下：图3（b）图是随着时间进行，溶液的变化过程示意图，2min后说明染料已经分解完全，（a）图是与其他的催化剂进行对比实验，2min后Bi/BiOCl催化剂已经将其分解，性能远高于其他材料，（c）看出经过10连续的循环后，Bi/BiOCl催化剂的活性没有任何的减少，（d）图是Bi/BiOCl催化剂作用于两种有机污染物CBD、AP的实验数据图，图中看出，加入Bi/BiOCl催化剂后有机污染物的降解速率明显增大很多。1.4 性能分析图4（a）图是BiOCl和Bi/BiOCl的荧光光谱图，是对实验过程的机理进行分析，BiOCl中355nm、465nm处的两个峰值是电子空穴对的特征峰，在Bi/BiOCl的谱图中这两个峰值几乎看不到了，说明电子空穴对得到了很好的分离，保证了Bi/BiOCl催化剂有良好的催化性能；（b）图是在三种环境（O2、N2、空气）下进行的实验测试，说明在氧气中的性能最好，结合（c）不难看出，O2在反应过程中对电子转移过程起到了很大作用。（c）是在可见光下催化RHB溶液分解的过程示意图。1.5 结论通过水热法合成的Bi/BiOCl复合材料，由BiOCl纳米片层和Bi纳米粒子组成，在可见光下，对染料及有机污染物的分解有很好的催化活性，这归因于Bi金属纳米粒子在电子转移过程中的作用，使得电子空穴对得到更好分离的结果。TiO2–BiOCl双层纳米结构光电化学水分解过程是解决全球能源问题的一个途径，TiO2因其具有最佳的能带值，作为光电阳极材料有了很多的研究，但TiO2在电子空穴转移效率上的低下限制了它的实际应用。作者合成了TiO2–BiOCl双层纳米结构，解决了效率的问题，在水分解过程中有很好的催化性能。2.1 实验部分图5 合成示意图金红石纳米线直接生长在FTO玻璃基质上，用溶胶-凝胶法将锐钛矿涂在上面，最后用化学溶液沉淀法，