鉬酸鉍光催化劑的制備及其光催化性能研究

1、安徽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙安徽工業(yè)大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)）論文題目：鋁酸錦光催化劑的制備及其光催化性能研究院名：材料科學(xué)與工程學(xué)院專 業(yè)：無機(jī)非金屬材料工程班 級： 無機(jī)091 學(xué) 號： 0990244229作 者： 王玉龍指導(dǎo)教師：侯林瑞2013年06月20日安徽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙安徽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書課題名稱鋁酸韌光催化劑的制備及其光催化性能研究學(xué) 院材料科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)班級無機(jī)091姓名王玉龍學(xué)號099024229畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的主要內(nèi)容：近幾年，光催化已經(jīng)成為光化學(xué)反應(yīng)的一個前沿領(lǐng)域，在處理各種生物難降解有機(jī) 廢水方面有很廣闊的應(yīng)用前景。如何制備能

2、響應(yīng)于太陽光的光催化劑和如何推廣其實(shí)際 應(yīng)用成為了當(dāng)今光催化研究的主攻方向。本文，以硝酸鈿和鋁酸鈉為原料制備鋁酸鈿光 催化劑，以亞甲基藍(lán)染料溶液模擬染料廢水，研究鋁酸鈿光催化劑對染料廢水的催化降 解效果。并研究了催化劑量對其光催化降解效果的影響。指導(dǎo)教師簽字：安徽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙鋁酸錦光催化劑的制備及其光催化性能研究摘 要近幾年，光催化已經(jīng)成為光化學(xué)反應(yīng)的一個前沿領(lǐng)域，在處理各種生物難降解有機(jī) 廢水方面有很廣闊的應(yīng)用前景。如何制備能響應(yīng)于太陽光的光催化劑和如何推廣其實(shí)際 應(yīng)用成為了當(dāng)今光催化研究的主攻方向。當(dāng)前研究主要集中在以下兩個方面：一、探索 高比表面積光催化材料的合成方法，

3、提高光催化劑對廢水中污染物的吸附能力，從而提 高光催化材料對廢水中污染物的光催化降解能力。二、選擇合適的且能響應(yīng)于太陽光的 光催化材料，為光催化氧化的實(shí)際應(yīng)用化提供可能。本論文采用固相法制備了 Bi20MoO33光催化材料，并通過XRD, SEM和UV-Vis 等測試手段對該光催化劑進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，用該法制備的 Bi20MoO33光催化劑在 紫外和可見光區(qū)均有較強(qiáng)的光吸收性能。以亞甲基蘭作為被降解物質(zhì)，在太陽光照射下 來研究其光催化活性，發(fā)現(xiàn)Bi20MoO33對亞甲基蘭有較強(qiáng)的降解作用，8 h亞甲基蘭降 解率達(dá)到84%。關(guān)鍵詞：光催化氧化法；鋁酸鈿；光催化劑；亞甲基藍(lán)第1頁共2頁安徽工業(yè)

4、大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙Preparation and Photocatalytic Properties of Bismuth Molydate PhotocatalystAbstractIn recent years, photocatalysis has been a one-up field in photochemistry, and has widely applied foreground in disposing organic waste water. Now, it is the major research direction how to synthesize the

5、 sunlight-driven photocatalysts and further apply the photocatalysts to the wastewater treatment. The current reseach is focused on the following two aspects: one is the exploring synthesis methods of photocatalysts with high specific surface areas, and promoting the adsorption properties of the syn

6、thesized phtocatalysts, and consequently promoting photocatalytic degradation activities of the photocatalysts on the pollutants; and the other is how to selecte the sunlight-driven photocatalystsand make it applicable to use photocatalytic oxidation technique in real waste water treatment.In this p

7、aper, Bi20MoO33 photocatalystswere successfully synthesizedby the solid-state reaction method, and characterized by the XRD SEM and UV-Vis technologies. Test results showed that B20MoO33 photocatalyst has strong photo-absorption property both in the UV region and the visible light region. The photoc

8、atalyticactivity of Bi20MoO33 photocatalysthad been tested on the decomposablesubstratemethyleneblue under sunlight 川umination. Test results revealed that the degradation ratio of methylene blue was up to 84% through 8 h under sunlight irradiation, which made photocatalyst have greatly potential app

9、lications.Keywords Photocatalytic oxidation; Bismuth molybdate; Photocatalysis; Methylene blue第2頁共2頁安徽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙目錄1文獻(xiàn)綜述2光催化研究背景 2光催化氧化技術(shù)3光化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)113.光催化氧化過程3光催化氧化的基本原理4.影響光催化劑活性的因素6.6.半導(dǎo)體的能帶 TOC o 1-5 h z 半導(dǎo)體的晶體及結(jié)構(gòu)6晶體尺寸及比表面積的影響7催化劑形貌的影響7.反應(yīng)體系條件的影響8 HYPERLINK l bookmark73 o Current Document 提高光催化

10、劑光催化效率的有效途徑9摻雜.9.貴金屬沉積10半導(dǎo)體復(fù)合1.1染料敏化.11. HYPERLINK l bookmark75 o Current Document .5半導(dǎo)體光催化劑的制備方法 12. HYPERLINK l bookmark77 o Current Document 光催化材料的應(yīng)用 12.有機(jī)污染物的處理12.無機(jī)污染物的處理13.光催化在衛(wèi)生保健方面的應(yīng)用 1.3.光催化分解水制氫氣1.3.光催化化學(xué)合成14.CQ 還原15. HYPERLINK l bookmark89 o Current Document 鋁酸鹽的研究進(jìn)展 15 HYPERLINK l bookma

11、rk91 o Current Document 本論文研究內(nèi)容及意義17 HYPERLINK l bookmark93 o Current Document 2實(shí)驗(yàn)部分1.7.第2頁共2頁安徽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙17實(shí)驗(yàn)器材及試劑 TOC o 1-5 h z 催化劑的制備 18光催化活性試驗(yàn) 18. HYPERLINK l bookmark95 o Current Document 結(jié)果和討論19樣品的XRD分析1.9樣品的SEM分析20.樣品的紫外漫反射20.催化劑的光催化活性21.光催化劑光生電子轉(zhuǎn)移的可行性途徑 22.光催化劑的量對光催化劑光催化活性的影響23.光催化劑的循環(huán)使

12、用.23.結(jié)論.25致 謝26參考文獻(xiàn)27第2頁共2頁安徽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙引 言隨著社會的快速發(fā)展和科技的進(jìn)步，人類在創(chuàng)造了巨大的財富的同時，也帶來了能 源危機(jī)和環(huán)境污染問題。目前，世界能源主要依賴于不可再生的化石資源，以現(xiàn)有的開 采和消費(fèi)速度，石油和天然氣在未來的四十到六十年便消耗殆盡，即使是含量稍多的煤 炭資源，也僅能維持二百多年。解決當(dāng)前日益嚴(yán)重的能源短缺和環(huán)境污染問題是實(shí)現(xiàn)經(jīng) 濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和提高人們生活質(zhì)量的迫切需要，對環(huán)境污染的有效控制與治理已迫在眉 睫。尤其，隨著染料和印染工業(yè)的飛速發(fā)展，染料廢水已成環(huán)境重點(diǎn)污染源之一。染料 廢水是難處理的工業(yè)廢水之一，具有種類多、色

13、度深、堿性大、有機(jī)污染物含量高、排 放量大、毒性大、可生化性差等特點(diǎn)。另外，大多數(shù)染料為毒性大且難降解的有機(jī)物， 其化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，具有致癌、致畸、致突變等作用，還嚴(yán)重破壞水體、土壤及生態(tài)環(huán) 境，對人們的生存環(huán)境及其身體健康構(gòu)成了極大的威脅。因此，開展對染料廢水的治理 研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。另外，人類能持續(xù)找到便宜實(shí)惠的新能源來代替舊的能源，是可持續(xù)發(fā)展的必要條 件。其關(guān)鍵在于技術(shù)的進(jìn)步，將人們原本不知如何利用的能源、資源，便宜地轉(zhuǎn)換成可 利用的能源資源。從能源的來源考慮，化石能源、水能、風(fēng)能等主要來自于太陽，而化 石能源面臨枯竭，太陽能對短暫的人類歷史則是取之不盡用之不竭的。20世紀(jì)70

14、年代以來，太陽能科技突飛猛進(jìn)，太陽能的直接利用日新月異。如果能利用綠色的取之不 盡的太陽能解決當(dāng)前的能源短缺問題，同時不對環(huán)境產(chǎn)生二次污染，且可對已有污染進(jìn) 行降解，那將是人類面臨的完美選擇。半導(dǎo)體光催化氧化技術(shù)由于其在解決能源和環(huán)境 問題方面的重大應(yīng)用前景引起了廣大科學(xué)研究者的廣泛興趣。因此，利用自然的太陽 能，制備能影響于太陽光的光催化劑，對現(xiàn)有環(huán)境污染進(jìn)行治理，進(jìn)行廢物再利用，既 節(jié)約了能源，又減少了環(huán)境污染具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。第1頁共30頁安徽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)報告紙1文獻(xiàn)綜述1.1光催化研究背景科技的迅猛發(fā)展極大地推進(jìn)了人類社會的物質(zhì)文明，也給地球環(huán)境帶來了破壞性 的污染。環(huán)

15、境污染不但嚴(yán)重影響人類的身體健康，也給社會帶來了難以估量的經(jīng)濟(jì)損 失，環(huán)境污染的控制與治理是人類二十一世紀(jì)面臨和等待解決的重大課題。然而，在眾 多的環(huán)境污染中水體污染越來越嚴(yán)重。眾所周知，水是人類生存必不可少的一個重要因 素。隨著世界人口的增多，工農(nóng)業(yè)的急劇發(fā)展，工業(yè)廢水、生活垃圾對水體的破壞和污 染也日益嚴(yán)重，人類本已經(jīng)有限的淡水資源受到日益嚴(yán)重的污染，水資源危機(jī)正在困擾 制約著許多國家和地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，清除水體中的有毒有害化學(xué)物質(zhì)，如有 機(jī)化學(xué)品、農(nóng)藥、表面活性劑等已經(jīng)成為環(huán)保領(lǐng)域的一項(xiàng)重要工作。根據(jù)污染物在水處理過程中的變化特征，可將廢水處理技術(shù)分為三種類型，即分離 處理、轉(zhuǎn)化

16、處理、稀釋處理。分離處理只是將污染物從水相轉(zhuǎn)移到其它相，并不能使有機(jī)污染物得到徹底的分解 或無害化。稀釋處理只是通過稀釋廢水來減輕水體的污染程度，既不能把污染物分離，也不會 改變污染物的化學(xué)本質(zhì)。轉(zhuǎn)化處理則是通過化學(xué)的或生化的作用改變污染物的化學(xué)本性，使其轉(zhuǎn)化為無害的 或可分離的物質(zhì)。隨著環(huán)保技術(shù)的發(fā)展和人們對水體質(zhì)量要求的提高，轉(zhuǎn)化處理日益受 到重視。自從1972年日本學(xué)者Fujishima和Hond1在n-型半導(dǎo)體TiO2單晶電極上發(fā)現(xiàn)水的 光電催化分解制氫以來，多相光催化技術(shù)引起了科學(xué)工作者的極大關(guān)注，從此開創(chuàng)了半 導(dǎo)體光催化處理廢水技術(shù)的新紀(jì)元。光催化降解技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)3:(1)降解

17、速度快，一般只需幾十分鐘到幾小時即可取得良好的廢水處理效果；(2)降解無選擇性，幾乎能降解任何有機(jī)物，尤其適合于氯代有機(jī)物、多環(huán)芳姓等；(3)氧化反應(yīng)條件溫和，投資少，能耗低，用紫外光照射或暴露在陽光下即可發(fā)生 光催化氧化反應(yīng)；(4)無二次污染，有機(jī)物被徹底氧化降解為CO2和H2O;(5)應(yīng)用范圍廣，幾乎所有的含有機(jī)物的污水都可以采用。從七十年代末開始，利用半導(dǎo)體光催化劑處理各類廢水中的污染物的研究已有大量 報道2-10,其降解對象涉及酚類2、染料3、姓類4、表面活性劑、有機(jī)顏料、芳姓第2頁共30頁安徽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙7、重金屬類8、殺蟲劑9、除草劑10等多種常見難生物降解的有機(jī)

18、化合物、重金屬和 部分無機(jī)化合物。光催化氧化法具有很強(qiáng)的氧化性，對于染料、表面活性劑、有機(jī)鹵化 物、農(nóng)藥、油類、雜環(huán)化合物等難被生物降解的物質(zhì)能進(jìn)行有效地光催化降解，并且具 有很好的降解效果，經(jīng)過持續(xù)反應(yīng)可以達(dá)到完全礦化。因此光催化氧化法在降解有機(jī)污 染物方面更具有意義。光催化氧化技術(shù)光化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)11分子、原子、自由基或離子吸收光子而發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，稱為光化學(xué)反應(yīng)。化學(xué)物 種吸收光量子形成激發(fā)態(tài)物種，其基本步驟為： TOC o 1-5 h z A十 hu一 A*（1.1）式中：A*A物種的激發(fā)態(tài)h u光量子隨后，激發(fā)態(tài)的A*可能發(fā)生如下幾種反應(yīng)：A* 一 A + h u(1.2)A* + M

19、 - A + M(1.3)A* B + B2 +_(1.4)A* + C D1 + D2 +_(1.5)式（1.2）為輻射躍遷，即激發(fā)態(tài)物種通過輻射熒光或磷光而失活。式（1.3）為無輻射躍 遷，亦即碰撞失活過程。激發(fā)態(tài)物種通過與其他分子 M碰撞，將能量傳遞給M,本身 又回到基態(tài)。以上兩種過程均為光物理過程。式（1.4）為光離解過程，即激發(fā)態(tài)物種離解 成為兩個或兩個以上新物種。式（1.5）為A*與其他分子反應(yīng)生成新的物種。這兩種過程 均為光化學(xué)過程。對于環(huán)境化學(xué)而言，光化學(xué)過程更為重要。受激發(fā)態(tài)物種會在什么條 件下離解為新物種，以及與什么物種反應(yīng)可產(chǎn)生新物種，對于描述污染物的環(huán)境歸宿具 有重要意

20、義。光催化氧化過程光催化氧化有機(jī)物是一個循環(huán)過程，其特征為以光活性半導(dǎo)體材料為媒介，促使電 子從有機(jī)基質(zhì)到無機(jī)受體（如O2）的轉(zhuǎn)移，催化劑（媒介）充當(dāng)電子轉(zhuǎn)移的中轉(zhuǎn)站的作用, 再氧化的光催化劑能夠用于下一次的電子轉(zhuǎn)移系列，從而構(gòu)成一個大循環(huán)，直到有機(jī)供第3頁共30頁安徽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙體（有機(jī)物）完全礦化為止，整個過程結(jié)束。即光催化劑在太陽光或紫外光照射下，產(chǎn)生 強(qiáng)氧化能力的自由基或激發(fā)態(tài)物質(zhì)等，通過一系列變化使污染物氧化的一種高級氧化 法。光催化氧化的基本原理Vaccum-2-4-6CdSe1.7CdSZnO WO3TiO2SnO2 3.2.5 . 3.23.23.SiC Zn

21、S S口O3BaTiO3 Fe2O3-23.3.2. CdO2.22.1E vs NHE-83.8y圖1.1各種半導(dǎo)體化合物導(dǎo)帶和價帶的位置2圖1.2納米光催化劑內(nèi)電子空穴對的產(chǎn)生、復(fù)合與分離2第4頁共30頁安徽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙根據(jù)定義，半導(dǎo)體粒子含有能帶結(jié)構(gòu)，被價電子占有的能帶稱價帶（VB）,它的最高 能級即價帶緣，其相鄰的那條較高能帶處于激發(fā)態(tài)，稱為導(dǎo)帶（CB）,導(dǎo)帶最低能級即為 導(dǎo)帶緣。價帶緣與導(dǎo)帶緣之間，有一能量寬度為 Eg的禁帶。常用半導(dǎo)體化合物的禁帶 寬度與標(biāo)準(zhǔn)氫電極電位（NHE）及真空（Vacuum）能級的相對位置見圖1.1。圖1.3納米光催化劑光催化機(jī)理示意圖當(dāng)照

22、在半導(dǎo)體上的光電子能量等于或大于禁帶寬度時，價帶上的電子（e-）就被激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶，形成帶負(fù)電的高活性電子e-cb,同時價帶上產(chǎn)生帶正電的空穴（h+）,受光照 射時半導(dǎo)體內(nèi)的變化見圖1.2和 圖1.3。光生空穴有很強(qiáng)的得電子能力，具有強(qiáng)氧化 性，將其表面吸附的OH-和H2O氧化成OH自由基，OH自由基是光催化反應(yīng)的一種 主要活性物質(zhì)，對光催化氧化起決定作用，其幾乎無選擇地能將有機(jī)物氧化，并最終降 解為CO2和H2O。也有部分有機(jī)物與h+直接反應(yīng)；而遷移到表面的e則具有還原能力。 當(dāng)光致電子-空穴對在離半導(dǎo)體表面足夠近時，載流子向表面移動到達(dá)表面，活潑的電 子、空穴都有能力還原和氧化吸附在表面上

23、的物質(zhì)。同時，電子和空穴還可以重新結(jié) 合，因此，只有抑制電子與空穴的復(fù)合，才有可能使光化學(xué)反應(yīng)發(fā)生?；痉磻?yīng)表達(dá)式 12, 13.M + hu- M + h+ e-（1-6）h+ e- 一 熱量（1-7）第5頁共30頁安徽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)報告紙H2O 一 巧 + OH-(1-8)h + OH (ads) HO (ads)(1-9)h+ + OH-(ads) + O2-(L) 一 HO (ads)+ H+ + O1)(1-10)h+ H2O(ads尸 HO(ads)+ H+(1-11)e- + O2 - O2-(1- 12)O2- + H+ - HO2 (1- 13)2 HO2 - 2O

24、2 + O2(1- 14)H2O2 + O2- - OH + OH O2(1-15)H2O2 + hu- 2 OH -(1-16)Organ + OH + O2 - C6 + H2O + 其它產(chǎn)物(1-17)M n+(金屬離子)+ ne- - M0(1-18)其中L代表品格位置，ads表示吸附影響光催化劑活性的因素提高光催化效率是發(fā)展光催化技術(shù)的目的之一，無論對復(fù)合還是單一的半導(dǎo)體光催 化劑來說，其催化效率直接取決于催化劑在光催化過程中表面產(chǎn)生的有效氧化物種，這 些氧化物種具有強(qiáng)的氧化能力可直接參與對有機(jī)污染物的降解，最終消除污染。然而在 光催化過程中氧化物種的產(chǎn)生和進(jìn)一步氧化作用受制于諸多因

25、素。半導(dǎo)體的能帶半導(dǎo)體的能帶(Eg)大小直接關(guān)系到半導(dǎo)體對光的吸收情況，根據(jù)方程Eg = hc/ 其中h、c和人分別表示普朗克常數(shù)、光速和波長。由上述公式可得出：X(nm)2的耦合協(xié)同作用。這類組合技術(shù)近些年來已成為光催化領(lǐng)域的研究 熱點(diǎn)之一，尤其在環(huán)境污染治理領(lǐng)域更顯示了廣闊的應(yīng)用前景。提高光催化劑光催化效率的有效途徑為了提高太陽光的利用率，加強(qiáng)半導(dǎo)體光催化劑的效率，現(xiàn)階段已積累了大量用來 抑制半導(dǎo)體光生電子與光生空穴的復(fù)合的措施和拓展催化劑在可見光的響應(yīng)的辦法，下 面列舉了幾種常見措施。摻雜摻雜可以分為非金屬和金屬元素?fù)诫s兩種。以TiO2摻雜為例，通過非金屬元素的摻 雜實(shí)現(xiàn)TiO2對可見光

26、具有響應(yīng)的研究是TiO2在改性中取得最成功的突破之一。對于非 金屬元素?fù)诫s引起TiO2的可見光響應(yīng)，目前普遍認(rèn)為是：因?yàn)榉墙饘僭負(fù)诫s后改變了 TiO2相應(yīng)的能級結(jié)構(gòu)，即形成了新的摻雜能級所造成的。由于 O的2P軌道和其它非金 屬元素中與其能量接近的p軌道雜化后，價帶變寬上移，禁帶寬度相應(yīng)減小。摻雜能級 可以接受TiO2價帶上的激發(fā)電子，或者吸收光子促使電子躍遷到 TiO2的導(dǎo)帶上，這樣 就實(shí)現(xiàn)了 TiO2吸收光譜的范圍擴(kuò)大，充分利用了可見光。通過非金屬元素?fù)诫s改性來實(shí) 現(xiàn)TiO2可見光催化的一個最大的優(yōu)點(diǎn)是：在拓展TiO2可見光催化活性的同時沒有影響 到其在紫外光區(qū)的催化活性。金屬離子摻雜是

27、用物理或者化學(xué)方法將金屬離子引入到催化劑晶體內(nèi)部。金屬離子 作為電子的接受體，它能夠有效地減少催化劑表面光生電子與空穴的復(fù)合；同時金屬離 子摻雜也可導(dǎo)致半導(dǎo)體產(chǎn)生缺陷，生成的缺陷可成為光生電子的陷阱而延長其壽命，最 終提高了催化劑的光催化活性。以TiO2為例，摻雜的金屬離子可以在TiO2品格中改變 結(jié)晶度或引入缺陷。由于金屬離子對電子的爭奪減少了 TiO2表面光生電子和空穴的復(fù) 合，延長了光生載流子復(fù)合的時間，從而達(dá)到了提高其光催化活性的目的。除此之外， 由于許多金屬離子形成的氧化物具有比TiO2更寬的光吸收范圍，可將吸收先進(jìn)一步延伸 到可見光區(qū)。截至目前，集中討論的金屬離子包括堿金屬、堿土金

28、屬、過渡金屬和稀土 金屬等0第9頁共30頁安徽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙?jiān)S多過渡金屬元素存在多化合價，少量的過渡金屬離子摻雜在TiO2中可在催化劑品 格中引入缺陷位置，而這些缺陷又成為了光生電子與空穴對的捕獲阱，延長了電子和空 穴的復(fù)合時間從而提高了 TiO2光催化活性。另外，能級處于TiO2價帶和導(dǎo)帶之間的過 渡金屬離子摻雜能降低半導(dǎo)體的禁帶值，它不僅可以接受半導(dǎo)體價帶上被激發(fā)的電子， 也可吸收光子使電子躍遷到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶上，增強(qiáng)對可見光的吸收，從而擴(kuò)展吸收光譜 的范圍。然而，摻雜改性TiO2的光量子效率至今仍比較低，雖然其吸收光譜紅移，在可 見光激發(fā)下具有一定活性，但其降解效率仍然不理

29、想。這主要是由于過渡金屬離子的摻 雜雖然可以改善TiO2在可見光下的活性，但所摻雜的金屬離子也可能成為光生電子與光 生空穴的復(fù)合中心，使TiO2在紫外光下的活性下降。而且金屬離子的摻雜量對 TiO2的 光催化性能也有重要的影響，當(dāng)摻雜量少時，其在可見光下的活性不高，而摻雜量太高 時則甚至?xí)档推浯呋钚?。典型的過渡金屬離子包括Ni2+、Cr3+、V3+、Mo5+、Nb5+、 Fe3+、Cu2+、Mn3+、Co3+等5, 16, 17。除了過渡金屬離子的摻雜，由于稀土元素18具有豐富的能級和特殊的4f電子躍遷特 性，易于產(chǎn)生多電子組態(tài)，有特殊的光學(xué)性質(zhì)。稀土元素離子的半徑一般都大于Ti4+,當(dāng)摻

30、雜離子或它們的氧化態(tài)和還原態(tài)擴(kuò)散進(jìn)入TiO2晶格中時，會引起較大的品格畸變和 膨脹，而膨脹的品格中可能存在著較大的品格畸變和應(yīng)變能，為了補(bǔ)償這種品格應(yīng)力， TiO2晶格表面的氧原子容易逃離品格成為空穴的捕獲劑。稀土氧化物具有吸附選擇性 強(qiáng)、晶型多、熱穩(wěn)定性和導(dǎo)電性好等特點(diǎn)，不僅能夠以離子摻雜或半導(dǎo)體復(fù)合的形式提 高單一 TiO2的光催化性能，而且還可能構(gòu)造出多種新型體系的光催化劑。貴金屬沉積貴金屬沉積是提高半導(dǎo)體光催化活性的有效方法之一，半導(dǎo)體與金屬相互接觸時， 載流子會重新分配，電子將從費(fèi)米能級高的半導(dǎo)體流向費(fèi)米能級較低的金屬，直至它們 的費(fèi)米能級相同，產(chǎn)生肖特基勢壘，成為捕獲光生電子的有效

31、勢阱，抑制了光生電子與 空穴的復(fù)合，最終提高了光催化劑的量子效率190另一方面沉積貴金屬后的半導(dǎo)體催化 劑可以降低還原反應(yīng)（質(zhì)子的還原、溶解氧的還原）的超電壓，從而提高了催化劑的活 性。但是貴金屬如果沉積量過多又可能使金屬成為電子-空穴快速復(fù)合的中心，因此研 究貴金屬-半導(dǎo)體體系時，尤其要注意貴金屬沉積量的優(yōu)化。目前，常被用來修飾半導(dǎo) 體光催化劑的貴金屬有Ag、Au、Ru、Rh、Pt、Pd等19-21,其中以P，20和Ag21最為常 見。第10頁共30頁安徽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙半導(dǎo)體復(fù)合半導(dǎo)體光催化劑的復(fù)合是提高光催化活性的有效方法22, 23,它是通過增強(qiáng)系統(tǒng)的電 荷分離效果，擴(kuò)展

32、催化劑的光譜響應(yīng)范圍來提高催化活性。半導(dǎo)體的復(fù)合方式包括簡單 的組合、摻雜、多層結(jié)構(gòu)和異質(zhì)結(jié)構(gòu)等。復(fù)合半導(dǎo)體一般都表現(xiàn)出高于單一半導(dǎo)體的光 催化活性，原因在于復(fù)合半導(dǎo)體微粒大都是由寬能帶、低能導(dǎo)帶的半導(dǎo)體微粒和窄能 帶、高能導(dǎo)帶的半導(dǎo)體納米微粒復(fù)合而成，利用不同能級半導(dǎo)體的復(fù)合可以實(shí)現(xiàn)光生電 子由低能價帶向高能導(dǎo)帶躍遷的目的，從而擴(kuò)大光響應(yīng)范圍；并且光生電子從一種半導(dǎo) 體注入到另一種半導(dǎo)體，能有效阻隔電子與空穴的復(fù)合通路，提高量子效率，進(jìn)而提高 光催化性能。王文忠課題組陶制備了三維分等級結(jié)構(gòu)的Bi2WO6/TiO2復(fù)合半導(dǎo)體材料，該 復(fù)合材料在可見光下對乙醛顯示出了良好的光催化分解性能。如圖1

33、.3所示，Bi2WO6/TiO2復(fù)合半導(dǎo)體材料具有匹配的能帶位置，在可見光照射下，Bi2WO6的光生電 子躍遷到導(dǎo)帶上去，而光生空穴轉(zhuǎn)移到TiO2的價帶上去，這樣就從空間上促進(jìn)了載流子 的分離，提高了光催化效果。* - Tlww .TV .no.Bi.no,df!rl圖1.3 Bi2WO6/TiO2復(fù)合半導(dǎo)體材料的光生電子-空穴轉(zhuǎn)移過程24染料敏化離子摻雜拓展半導(dǎo)體帶隙的能力有限，只能使其吸收可見光中的較短波長區(qū)域，而有機(jī)染料的種類繁多，可以吸收各種波長的可見光甚至是紅外光。在寬帶隙半導(dǎo)體 TiO2 等的表面通過化學(xué)吸附或物理吸附上染料物質(zhì)，受到可見光激發(fā)時，染料分子可以通過 界面電子轉(zhuǎn)移將處

34、于激發(fā)態(tài)的電子轉(zhuǎn)移到TiO2的導(dǎo)帶上，從而引發(fā)此后的光催化過程。第11頁共30頁安徽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙不過染料本身也可以發(fā)生光降解，這就限制了染料敏化的應(yīng)用。朱永法等人 25將TiO2 用獻(xiàn)菁來敏化用于聚苯乙稀的降解，研究結(jié)果表明吹菁敏化的TiO2對聚苯乙稀的光催化 降解速率要比單純TiO#：系快70%左右。.5半導(dǎo)體光催化劑的制備方法半導(dǎo)體光催化劑也屬于納米材料，納米材料的制備方法也適用于半導(dǎo)體光催化劑的 制備。隨著納米功能材料的問世，納米材料的研究已成為熱點(diǎn)。納米粒子的制備技術(shù)， 在當(dāng)前納米材料研究中占據(jù)極為重要的地位。一種好制備方法要求設(shè)備簡單易行，產(chǎn)率 高，而且要求制備出來

35、的納米粒子形狀和粒徑分布可以控制、粒子分散性好、不團(tuán)聚以 及粒子有較好的熱穩(wěn)定性。已有的制備納米粒子的方法有很多，按照制備手段一般可分 為物理法、化學(xué)法和綜合法。物理法有蒸發(fā)冷凝法、機(jī)械粉碎法、離子濺射法和低溫等 離子體法等；化學(xué)法有水熱合成法、金屬醇鹽水解法、微乳液法；綜合法有等離子體化 學(xué)氣相沉積法（PECV）和激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積法（LICVD）等。按照物料狀態(tài)制備 方法可分為固相法、氣相法和液相法。固相法一般是指機(jī)械研磨法；液相法是指利用可 溶性金屬鹽的溶液制備納米粒子的方法，主要有水熱合成法、溶膠 一凝膠（Go1-GeD 法、溶劑蒸發(fā)法、沉淀法和微乳液法等；氣相法是指在高溫下由氣態(tài)原

36、子或分于成核長 大成適當(dāng)粒徑粒子的方法，有氣相蒸發(fā)法、熱分解法和熱化學(xué)反應(yīng)法等。止匕外，適用于 不同目的，制備具有特殊物理化學(xué)特性的納米粉體，還會派生出其它方法。但無論采取 哪種方法，關(guān)鍵是控制粒子的大小和獲得較窄的粒度分布，以及具有較高的產(chǎn)率和簡便 的操作。光催化材料的應(yīng)用有機(jī)污染物的處理光催化以其強(qiáng)勁的氧化能力可以分解破壞許多有機(jī)物。至目前為止，詳細(xì)研究過的 已達(dá)到100余種以上，其中絕大部分是環(huán)保上十分關(guān)注的物質(zhì)，主要包括以下幾個方 面：（1）鹵代有機(jī)化合物這類物質(zhì)包括鹵代脂肪姓、鹵代芳香姓、鹵代脂肪酸26, 27等，在各國提出的優(yōu)先控制的有害物質(zhì) 黑名單”28中占有相當(dāng)大的比例。這類物

37、質(zhì)在光 催化分解的過程中，一般都先羥基化，再脫鹵，逐步降解，至到礦化為 CO2、H2O等簡 單的無機(jī)物。（2）染料 在染料的生產(chǎn)和使用中，有大量堿度高、色澤深、臭味大的染料廢水 進(jìn)入環(huán)境，對生態(tài)環(huán)境和飲用水造成極大的危害29, 300第12頁共30頁安徽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙（3）表面活性劑 表面活性劑在工業(yè)和生活中的廣泛應(yīng)用，使得水體的污染也日 益嚴(yán)重，它進(jìn)入水體后能使水產(chǎn)生異味和大量泡沫，同時影響廢水的生化處理31o表面 活性劑進(jìn)入水體后，能刺激體重增加，提高肝臟合成膽固醇的速度。（4）農(nóng)藥 農(nóng)藥一般分為除草劑和殺蟲劑，其危害范圍很廣，在大氣、土壤和水 體中停留時間長，故其分解去除

38、倍受人們的關(guān)注470目前這方面的研究較多。利用光催 化去除農(nóng)藥的優(yōu)點(diǎn)是它不會產(chǎn)生毒性更高的中間產(chǎn)物，這是其它方法無法相比的。無機(jī)污染物的處理光催化能夠解決汞、銘、鉛等金屬離子的污染問題320汞是水中的主要金屬污染 物，對人體腦神經(jīng)系統(tǒng)危害極大。銘污染能引起局部肉瘤，使肺癌發(fā)病率升高。鉛污染 也有可能導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)癌變。利用光催化在檸檬酸根離子存在下，Hg2+可以從含氧溶液 中被電子還原為Hg沉積在TiO2表面，此法同樣還適用于鉛。其它污染性金屬的處理與 上述方法類似。光催化可降解的無機(jī)污染物還有氟化物33。SO2、H2S、NO和NO2等 有害氣體吸附于催化劑表面能在光作用下轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，如 S

39、C2可轉(zhuǎn)化為S2-或SO2- ,H2s轉(zhuǎn)化為S和H234o值得一提的是，光催化除了用于治理重金屬污染外，基于其 還原能力還可以應(yīng)用于貴金屬的提取回收。光催化在衛(wèi)生保健方面的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)證明，光催化的氧化性能對大多數(shù)微生物都有很強(qiáng)的殺傷力，且能同時降解有 細(xì)菌釋放出的有毒復(fù)合物。因此可以考慮作為殺菌消毒的手段，尤其是用于生活用水的 凈化。光催化不僅僅能殺死普通的細(xì)菌和病毒，還能使某些癌細(xì)胞失活35。TiO2覆著于 細(xì)胞外部的同時還會侵入細(xì)胞內(nèi)部，并且 TiO2粉末越細(xì)小越易侵入，內(nèi)外夾攻對細(xì)胞 造成破壞。光催化破壞癌細(xì)胞可能基于以下兩條途徑：一是價帶h+的直接氧化殺傷；二 是體系中產(chǎn)生的自由基進(jìn)攻細(xì)

40、胞及在細(xì)胞內(nèi)消耗組織成分。光催化分解水制氫氣1972,日本科學(xué)家 Honda和FujishimW就發(fā)現(xiàn)TiO2電極可光電化學(xué)分解水產(chǎn) H2o自此以后，光解水制氫成為世界各國共同關(guān)注的熱點(diǎn)研究課題，并逐步成為一門新 興的化學(xué)材料交叉學(xué)科?，F(xiàn)今已經(jīng)有13夠種半導(dǎo)體材料被發(fā)現(xiàn)具有光催化分解水制氫 性能。根據(jù)其成分可分為氧化物光催化材料（如TiO2、ZnO、WO3等）、硫化物光催化材 料（如CdS ZnS PbS等）、氮化物光催化材料（如Ta3N5、g-QN4、e-GesW等）以及無機(jī) 層狀化合物光催化材料（如SrTiO3、KTaO3、K4Nb6O17）、多元硫化合物光催化材料（如 Ag2ZnSnS）

41、等。目前光催化分解水制氫面臨最大的挑戰(zhàn)是其產(chǎn)氧量子效率較低，還達(dá)不 到產(chǎn)業(yè)化的水平。圖1.4為半導(dǎo)體光催化裂解水和降解有機(jī)污染物示意圖36。第13頁共30頁安徽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙圖1.4半導(dǎo)體光催化裂解水和P1解有機(jī)污染物示意圖36光催化化學(xué)合成（1）有機(jī)合成光催化不僅可分解破壞有機(jī)物，在適當(dāng)條件下還能用來合成一些有機(jī)物。Tada及其 合作者37報道了有金紅石型的TiO2微粒光催化使純1, 3, 5, 7,-四甲基環(huán)四氧硅烷開 環(huán)聚合，在催化劑表面形成了聚甲基氧硅烷（PMS）。以量子ZnO （直徑通常在1 10 nm）膠體作光引發(fā)劑很容易使甲基丙烯酸甲基聚合。Hoffman等人38

42、研究了量子尺寸 的CdS光催化引發(fā)丙烯酸甲酯聚合的能力作了比較，發(fā)現(xiàn)TiO2ZnOCdS其中以CdS較為適宜。利用光催化不但可以合成高聚物，還可以將膜產(chǎn)物被覆在催化劑上，對 某些半導(dǎo)體進(jìn)行表面改性。（2）無機(jī)合成光催化可用于合成氨及制備過氧化氫和氫氣等。光催化合成氨39的催化劑是摻鐵的 金紅石型粉末狀 TiO2,所用光源100 W汞燈，壓力為常壓，合成溫度僅為（84 2） C。而常規(guī)方法合成氨目前產(chǎn)率很低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到實(shí)用，但它在極為溫和的條件 下合成了氨，也許能啟發(fā)新的人工固氮模式。經(jīng)研究，Pt-RuC2/TiO2是水氧化制氫最有效的催化劑40。H2的生成速率跟TiO2上 的Pt的表面結(jié)構(gòu)無

43、關(guān)，催化劑的制備方法和表面積也對其影響甚微，但它明顯受晶體 形貌結(jié)構(gòu)的影響并強(qiáng)烈取決于溶液的pH值，跟光照強(qiáng)度和反應(yīng)體系的攪拌速率呈線性 關(guān)系。第14頁共30頁安徽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙CQ 還原SemiconductorsHCOWWg U HewaAB. : 0(川*0pH川Rr iystv m圖1.5幾種半導(dǎo)體的能帶位置和液相中CO2的氧化還原對電位的位置42自工業(yè)革命以來，包括煤炭、石油和天然氣在內(nèi)的化石燃料的大量消耗導(dǎo)致大氣中 CO2濃度激增。CO2等溫室氣體的過度排放使全球氣候變暖，嚴(yán)重威脅著人類以及生物 賴以生存的環(huán)境。因此，利用太陽能將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用的含碳化合物，對解

44、決當(dāng)前 世界所面臨的能源與環(huán)境問題具有非常重要的意義。1979年，F(xiàn)ujishima課題組41在液 相中用不同的半導(dǎo)體粉末來光電還原CO2,發(fā)現(xiàn)CO2能夠轉(zhuǎn)化為甲醇、甲酸等有機(jī)物。 如圖1.5所示，SiC的導(dǎo)帶位置最負(fù)，其表現(xiàn)出的CO2還原效率也最高。Grimes等人42 制備了金屬Pt和Cu修飾的氮摻雜TiCb納米管陣列，該材料在室外太陽光照射下將 CO2還原為甲院的反應(yīng)速率是文獻(xiàn)中報道速率的20倍。最近趙利民等43利用微波水熱 法制備了可見光響應(yīng)的BiVO4光催化材料，并研究了其在液相中對CO2的光催化還原 效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)BiVO4在可見光照射下可以將CO2選擇性的還原為乙醇。鋁酸鹽的研究

45、進(jìn)展白鴇礦結(jié)構(gòu)的鋁酸鹽，由于具有優(yōu)越的發(fā)光性能和良好的顯色變色效應(yīng)備受人們關(guān) 注44。由于其結(jié)構(gòu)特性，堿土金屬鋁酸鹽尤其是 CaMoO4以及SrMoO4tt認(rèn)為是一種良 好的激光施主材料。T. Thongtema等45制備了具有良好結(jié)晶度的CaMoO4和SrMoO4,第15頁共30頁安徽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙XRD證明產(chǎn)物均具有體中心的四面體白鴇礦結(jié)構(gòu)， TEM顯示其納米顆粒是窄正態(tài)分 布。Y.S. Luo等46人合成了 CaMod分級材料，實(shí)驗(yàn)證明其特殊的類紅細(xì)胞結(jié)構(gòu)是由納 米顆粒取向生長為納米片再由納米片自組裝而成，為研究其光致發(fā)光性能，產(chǎn)物在室溫 325 nm的紫外波段下被激發(fā)，

46、譜學(xué)分析顯示其發(fā)射峰中心在469-494 n項(xiàng)并且隨著結(jié)晶 度的增大，峰強(qiáng)增強(qiáng)。眾所周知，焦油是煙氣主要的有害物質(zhì)，如果在卷煙中加入鋁酸鹽添加劑（MnMoO4, CoMoO4等），則可以有效地降低煙氣中焦油、自由基以及稠環(huán)芳香化合物的含量。甚至 在日用化工中，鋁酸鹽也有著重要的運(yùn)用，和普通清洗劑相比，含鋁酸鹽的清洗劑不僅 無毒、無腐蝕性，而且清洗過后，光潔度高。止匕外，鋁酸鹽還是一種高效催化劑，L.Wang等47以MoO3/FeCX為反應(yīng)物采用固相法利用柯肯特爾效應(yīng)制備了鋁酸鐵納米管，并 且產(chǎn)物表現(xiàn)出了在較低溫度下更好的催化性能，交岔頻率為普通鋁酸鐵的18倍。通過高溫固相反應(yīng)或高能球磨法得到的

47、鋁酸鹽，具有良好的結(jié)晶度，作為光學(xué)材 料，顯示出很好的發(fā)光性能。但是固相反應(yīng)存在不可避免的高溫、高能耗、工藝復(fù)雜的 缺點(diǎn)，而且制備的顆粒尺寸較大，形狀不規(guī)整。用液相法制備鋁酸鹽納米材料是目前的 主要發(fā)展方向，主要有硬模板法、軟模板法、沉淀法、水熱法、微乳液法、有機(jī)復(fù)合前 驅(qū)體法等。硬模板合成就是將具有納米結(jié)構(gòu)、價廉易得、形狀容易控制的物質(zhì)作為模板，通過 物理或化學(xué)的方法將相關(guān)材料沉積到模板的孔中或表面，而后移去模板，得到具有模板 規(guī)范形貌與尺寸的納米材料的過程。軟模板一般是指沒有固定的組織結(jié)構(gòu)而在一定空間 范圍內(nèi)具有限閉能力的分子體系，主要包括高分子模板、液相反應(yīng)體系中的表面活性劑 分子形成的

48、膠束模板、單分子層模板、液晶模板以及其它與模板法相關(guān)的液相控制體 系。沉淀法是指荏包含一種或多種離子的可溶性鹽溶液中，加入沉淀劑（如OH-、C2042- 、MoO42-、CO32-等）后，于一定溫度下形成不溶性的氫氧化物、水合氧化物或者鹽類從 溶液中析出，將溶劑和溶液中原有的陰離子洗去，經(jīng)熱解或脫水即得到所需的粉料。 Thongtemal?45人用共沉淀法在室溫水溶液中合成了 CaMoO4納米顆粒。研究表明在溶 液體系中，M2+為電子對接收者（路易斯酸），XO42-為電子對貢獻(xiàn)者（路易斯堿），這兩者 之間的反應(yīng)為（M2+:XO42-）,是路易斯酸中最低能量的分子軌道與路易斯堿中最高能量分子軌道

49、反應(yīng)從而生成了 MXO4納米顆粒。水熱法是利用高溫高壓的水溶液使那些在 大氣條件下不溶或難溶的的物質(zhì)溶解，或反應(yīng)生成該物質(zhì)的溶解產(chǎn)物，通過控制高壓釜 內(nèi)溶液的溫差使產(chǎn)生對流以形成過飽和狀態(tài)而析出生長晶體的方法。X.J. Cui等48通過 水熱法選擇性合成了尺寸非常均一的 Ag2MoO4納米線，研究表明，體系中酸堿度以及第16頁共30頁安徽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙溫度和反應(yīng)時間對產(chǎn)物有著很大影響。純的 Ag6MoO4納米線可以在中性條件得到，當(dāng) pH值為2的時候，反應(yīng)產(chǎn)物為純的Ag6MO10O33。Nagaraju等49采用無有機(jī)物的水熱法制 備出長約10直徑約為100 nm的納米線。wa

50、ng等人50以MoO3為鋁源，以PEG-400 為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向模板，水熱法制備了樹枝狀結(jié)構(gòu)的PbMoO翎米粒子，作者研究其形成機(jī)理， 確定為取向連接生長過程。微乳液法是利用油相、表面活性劑、水相（反應(yīng)溶液）三元或 四元（助表面活性劑）體系形成一個微/納米級的“微反應(yīng)器”，從而控制產(chǎn)物大小、形貌 的有效方法。Yan Mi等51以醋酸鈕（Mn（CH3COO）2）和鋁酸鈉（Na2MoO4 2H2O）為原料， 選定環(huán)己烷為油相，OP-1M表面活性劑，正辛醇為助表面活性劑，采用反相微乳液法 在室溫下成功地制備了 MnMoO4納米棒。本論文研究內(nèi)容及意義隨著染料紡織工業(yè)的迅速發(fā)展，染料的品種和數(shù)量日益增加，合

51、成染料廠和印染廠 每年都要排放大量的有色廢水，印染廢水己成為水系環(huán)境的重點(diǎn)污染源之一。據(jù)不完全 統(tǒng)計(jì)，每年全國廢水排放量大約為250-300萬噸。有效地處理這些廢水是環(huán)境保護(hù)工作 面臨的難題。針對上述問題，近年來國內(nèi)外都在染料廢水處理方面作了大量的研究，并 在很多方面取得了成效，特別是在光化學(xué)方面取得了突破。雖然對光催化降解染料的報 道很多，但大多數(shù)研究以TiO2為主要研究對象，或者采用多種方法對TiO2進(jìn)行改性來 提高TiO2的光催化降解能力。但TiO2只能響應(yīng)于紫外光，這限制了其在實(shí)際生活中的 廣泛應(yīng)用。為此，本實(shí)驗(yàn)欲制備高比表面積、禁帶寬度較小的能響應(yīng)于太陽光的光催化材料。 一方面，由于

52、所制備的光催化材料比表面積大，可使得目標(biāo)污染物在催化劑周圍高濃度 積聚，對目標(biāo)污染物具有較強(qiáng)的吸附性能；另一方面，本實(shí)驗(yàn)所制備的光催化劑對污染 物也具有較高的光催化降解性能，從而有利于污染物快速地被催化降解。作為多元復(fù)合金屬氧化物的一種，鋁酸鹽特殊的結(jié)構(gòu)使其有可能可相應(yīng)于太陽光。 為此，在本設(shè)計(jì)中，我們設(shè)計(jì)并采用固相法制備鋁酸鈿（Bi20MoO33）可見光光催化劑，并 以亞甲基蘭為降解對象，用太陽光照射，研究了其光催化活性。2實(shí)驗(yàn)部分實(shí)驗(yàn)器材及試劑所用到的實(shí)驗(yàn)藥劑及器材見表2.1與表2.2所示:表2.1實(shí)驗(yàn)所需藥劑第17頁共30頁鋁酸鈉化學(xué)純上海凌峰化學(xué)試劑公司去離子水學(xué)校自制亞甲基匿分析純上

53、海凌峰化學(xué)試劑公司硝酸鈉化學(xué)純上海凌峰化學(xué)試劑公司無水乙醇分析純南京化學(xué)試劑有限公司表2.2實(shí)驗(yàn)器材電子秤BL3100A上海志榮電子科技有限公司強(qiáng)力磁力It拌器M381221北京中西遠(yuǎn)大科技有限公司紫外-可見分光光度儀U2450上海一恒科技有限公司紅外分析儀CJ-73杭州大衛(wèi)科教儀器有限公司電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱DHG-9140A天津泰斯特儀器有限公司真空干燥箱DZ-2BC天津泰斯特儀器有限公司馬弗爐KSY-12-16S杭州大衛(wèi)科教儀器有限公司循環(huán)水式多用真空泵SHB-IIIA杭州大衛(wèi)科教儀器有限公司掃描電子顯微鏡LEO1430VP德國安徽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)報告紙另有：錐形瓶；分液漏斗；試管

54、；滴管；玻璃棒若干等。催化劑的制備按摩爾比稱取一定量的硝酸鈿和鋁酸鈉，在瑪瑙研缽中各自研磨成細(xì)粉狀。最后把 硝酸鈿和鋁酸鈉粉末混合，繼續(xù)研磨，會發(fā)現(xiàn)白色混合粉末逐漸變成淡粉紅色，繼續(xù)研 磨1 h,最后，把樣品在60 0c烘箱中放置六天，使反應(yīng)完全，最后，把樣品抽濾，洗 滌，自然干燥。光催化活性試驗(yàn)往燒杯中加入100 mL亞甲基蘭溶液(12 mg/ L)和0.3 g光催化劑，避光磁力攪拌 30 min,以建立吸附-脫附平衡及暗態(tài)反應(yīng)平衡。此后磁力攪拌使催化劑懸浮，采用太 陽光照射反應(yīng)體系，每隔一定時間，沉降，取上層清夜 5 mL在紫外-可見分光光度儀 上測定其吸光度(Amax= 664 nm)o

55、低濃度范圍內(nèi)吸光度A與濃度C之間有很好的線性關(guān) 系，符合朗伯-比耳定律。第18頁共30頁安徽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)報告紙以降解率(D)來衡量染料的降解程度。D = (A0-A) / A0= (C0-C) / C0(2.1)式中A。和A分別為溶液的初始吸光度、降解后的吸光度；C0和C分別為溶液的 初始濃度和降解后的濃度。結(jié)果和討論樣品的XRD分析圖2.1為所制備的Bi20MoO33光催化劑的XRD譜圖。通過對照標(biāo)準(zhǔn)JCPDS卡片， 可知所得的樣品應(yīng)歸屬為正交品系Bi20MoO33(JCPDS卡號，23-1031珀衍射峰。2theta / deg.圖 2.1 Bi20MoO33 的 XRD 譜圖

56、第19頁共30頁安徽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙樣品的SEM分析圖2.2 Bi20MoO33光催化劑的SEM圖圖2.2為的所制備的 Bi20MoO33的SEM圖。從其SEM圖上可看到所制備的Bi20MoO33為直徑100 600 nm勺粒子，粒子之間有稍微的團(tuán)聚。樣品的紫外漫反射圖2.3 Bi20MoO33的UV-Vis紫外漫反射第20頁共30頁安徽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙為了確定Bi20MoO33化合物粉體的光吸收特性，在200 600 nm波長范圍內(nèi)對其進(jìn) 行UV-Vis紫外漫反射測試。圖2.3為Bi20MoO33的紫外漫反射圖。從圖中可看出， Bi20MoO33不僅有較強(qiáng)的紫外光

57、吸收性能，并且進(jìn)入可見光區(qū)，可吸收波長小于 512 nm 的光。根據(jù) Bi20MoO33的紫外漫反射圖，可算出其禁帶寬度約為2.41 eV,說明Bi 20MoO33是一個較小帶隙的物質(zhì)。由于半導(dǎo)體的禁帶寬度越小，所制備的半導(dǎo)體在可 見光照射下，電子也就越容易被從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶上，從而生成的電子-空穴對也就越多，光生空穴能使H2O分子氧化，生成氧化能力很強(qiáng)的OH自由基，從而使水溶液中 的有機(jī)物被氧化分解，因此，有機(jī)污染物也就越容易被分解。根據(jù)這一特性，可以利用 此復(fù)合金屬氧化物作為光催化劑在太陽光照射下對廢水進(jìn)行處理。催化劑的光催化活性100 一 一 Bi20MoO33, illuminated

58、40= 一 Bi20MoO33, unilluminated一一 no Bj MoO , illuminated TOC o 1-5 h z 20 一一43AAr0 k-. 一:一02468t / h圖2.4亞甲基蘭溶液降解速率與時間的關(guān)系圖2.4為Bi20MoO33對亞甲基藍(lán)溶液的降解率與時間的關(guān)系圖。在沒有光催化劑， 僅太陽光照射的條件下，亞甲基蘭溶液幾乎不分解，這表明亞甲基藍(lán)溶液相當(dāng)穩(wěn)定，僅 太陽光不能將亞甲基藍(lán)分子結(jié)構(gòu)破壞；在有光催化劑 Bi20MoO33存在但無太陽光照射的 情況下，亞甲基藍(lán)溶液降解率在短時間內(nèi)很快地增大，之后隨時間延長降解率不再增 加，說明染料的降解為催化劑顆粒對染

59、料分子的吸附所致；但在光催化劑 Bi20MoO33的第21頁共30頁安徽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙存在下，光照加快了染料的降解反應(yīng)，僅0.5 h降解速率就達(dá)到38%,且隨著光照時間 的增加降解率繼續(xù)增大，8 h后亞甲基蘭84 %被降解，這說明Bi20MoO33催化劑有很強(qiáng) 的光催化活性，可使染料分子在太陽光照射下迅速的光催化降解。光催化劑光生電子轉(zhuǎn)移的可行性途徑Process 1Pi,ocess 2Bi20MoO3j圖2.5先生電子轉(zhuǎn)移的可行性途徑為了更清楚地表明亞甲基蘭的降解，本文探討性設(shè)計(jì)了兩個光生電子的可行性途徑 來說明其降解機(jī)理：第一個途徑：Bi 2cM0。33的光催化降解過程。從

60、樣品的紫外漫反射譜可知Bi20MoO33 在紫外和可見光區(qū)均具有較強(qiáng)吸收，而且可吸收波長小于 512 nm的光。作為半導(dǎo)體光 催化劑，當(dāng)Bi20 MoO33光催化劑受到能量大于其帶隙寬度的光照射時，會在價帶上產(chǎn)生 空穴而在導(dǎo)帶上產(chǎn)生電子，電子-空穴分離后遷移到催化劑表面并與吸附的亞甲基蘭分 子發(fā)生氧化還原反應(yīng)，將其降解為無機(jī)小分子。也就是說，當(dāng)波長小于 512 nm時，亞 甲基蘭可被光催化降解（即圖2.5, process 1 。第二個途徑：染料對光的吸收過程。亞甲基蘭可吸收可見光區(qū)整個范圍的波長，當(dāng) 波長大于512 nm的光照射反應(yīng)體系時，此能量不足以使催化劑產(chǎn)生光生電子和空穴， 所以當(dāng)人方