TiO2和BiVO4基可見光催化劑的改性機制與污染物降解效能.pdf

1、可見光催化技術(shù)被認為是解決目前能源危機和環(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、化學性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點，得到人們的青睞。然而，在實際應用中，它們分別存在帶隙能較寬（3.2 eV）和導帶底能級位置較低（~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合機率較高而通常表現(xiàn)出差的光催化活性。基于此，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?；赯eta電位、TR-SPV及一系列的設計實驗的結(jié)果，BiVO4光催化活性的提高主要是由于其增強的表面負電場誘導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)的熱力學過程的基礎上，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，通過將具有較高導帶能級的TiO2與 BiVO4進行復合改善BiVO4的可見光催化活性。結(jié)果表明，適量TiO2的復合能夠延長和改善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