铋酸铜光催化剂的制备改性及其在能源环保领域的应用.pdf

以具有成本低、光催化降解效果好、无二次污染等优点的铋酸铜光催化剂为研究基础从形貌调控、元素掺杂、贵金属沉积、半导体复合以及碳材料复合等方面介绍铋酸铜的制备与改性 改性后的铋酸铜光催化剂不仅能有效拓宽光响应范围、抑制光生载流子的复合、提高光催化活性还可以增加材料的稳定性在治理有害废气、水中污染物以及产氢、产过氧化氢等能源环保领域中表现出优异的性能为铋酸铜光催化剂在能源环保领域的开发利用提供了参考价值关键词:铋酸铜制备改性能源环保中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:当今世界经济与工业的迅速发展带来了一系列环境破坏、能源短缺等问题 其中环境问题主要是通过物理、化学、生物以及化学生物的方法解决传统的催化技术将铁粉作为催化剂反应后形成大量的固体废渣容易造成水体污染 相较于上述方法光催化技术因其具有节能环保、无二次污染、第 期张鹤凡等:铋酸铜光催化剂的制备改性及其在能源环保领域的应用氧化性强、寿命长、安全性高、成本低等优点被认为是一种经济有效解决环境能源问题的方式近年来研究者们开发了不同种类的高效光催化材料包括金属氧化物、磷化物以及硫化物的半导体、钙钛矿型氧化物、多元复合材料、金属有机框架材料等多种材料取得了许多优异的研究成果铋酸铜()是一种尖晶石结构的 型半导体材料由于其具有合适的带隙宽度(.)、可见光响应强、原材料廉价、合成方法简单、良好的热稳定性等优点引起了研究者的广泛关注 但是铋酸铜比表面积较低、化学亲和力较弱、光生电子空穴易复合等缺陷严重制约其发展 因此研究铋酸铜的制备改性来优化其物理化学性能从而提高铋酸铜光催化效果并用于解决环境与能源问题具有重大意义 铋酸铜的制备改性 年研究组首次报道了使用 作为光阴极并且应用于光电化学分解水 随后科学家通过水热法、固相烧结法、溶胶凝胶法、电沉积法与离子溅射法等制备了各种形态的 由于 具有光稳定性较高和化学亲和能力较低的特点导致其在紫外光以及可见光的条件下光电流值相对较小并且光催化活性并不显著再加上较高的光生载流子复合率、由窄带隙产生的低量子产率和光腐蚀的问题在光催化领域的应用被严重限制 针对以上问题学者们进行了大量研究主要从形貌调控、元素掺杂、贵金属沉积、半导体复合以及碳材料复合 个方面对 半导体材料进行改性.形貌调控形貌调控是指可以通过控制反应条件从而制备出不同形貌的 使其具有不同的物理化学性质 常见 形貌有棒状结构、球形结构、花状结构以及树状结构等不同形状相比于传统的粉末材料这些特殊结构的 的催化性能得到了普遍提高 郝寿辰等使用()和()等材料通过水热法反应 制备出了均匀的 球形颗粒球形颗粒的平均直径为 水热时间增加纳米棒组装微球逐步演变为花状三围分层纳米结构成为纳米花其平均直径为 当水热时间达到 时纳米片和纳米棒随机聚集组成为团聚纳米颗粒 等使用()与()等材料通过溶胶凝胶旋涂法制备出 光阴电极薄膜厚约 晶粒尺寸 等使用乙酸中的()和乙醇中的()等材料采用水热法制备出了 纳米棒阵列 后形成了纳米颗粒 后纳米颗粒随机地分散排列聚集成较大的球形颗粒 后制造出分级 纳米棒阵列水热处理.后 对甲基蓝降解率高达.元素掺杂元素掺杂是 改性中较为常见的一种方式经过物理或化学方法将金属或非金属掺杂至晶格内部从而引起 晶格的变化而影响其结构来提升其催化性能 李自新在中掺杂银银离子取代铋离子掺杂银后的在反应过程中表现出较强的光电流复合材料的稳定性也得到了增强表明银的掺杂增强了空穴的浓度 等通过水热法使用硝酸铋溶液、硝酸铜溶液、氢氧化钠溶液以及 粉末制备出一系列阶梯型/掺杂 的光催化剂当光催化剂浓度在.时光照 以后 的产 率 是 纯 的 倍 以 上 等采用共沉淀法制备出钴掺杂的 光阴电极经过钴掺杂形成的复合材料的电流密度是纯相 的 倍.贵金属沉积将贵金属(例如、等)沉积在 的表面利用贵金属的高电导性来调整 电子分布将光生电子转移到贵金属表面一方面能加快电子迁移另一方面有效阻碍电子空穴的复合来提高分离率来实现提高 催化剂性能的目的 采用原位热还原法与沉淀法制备出零维/一维(/)/复合光催化剂该复合材 料 的 光 催 化 活 性 得 到 显 著 提 高 其 中./复合材料的光催化活性最优在 内对盐酸四环素降解率达到了 另外复合材料的光催化降解速率约为纯相 的.倍 等通过滴铸、退火的方法制备出 修饰的 光阴电极其复合材料的光电流与纯 相比提高了 倍 等通过一锅溶液燃烧法制备出了/二元材料并且将二元材料用等离子 纳米粒子修饰形成三元复合材料在光照条件下三元复合材料对 炔雌醇的降解效率为.对六价铬的降解效率为.半导体复合半导体复合是指将两种或两种以上的半导体进应用化工第 卷行复合利用不同材料的价带和导带位置交错以实现光生载流子的有效分离 由于 是一种窄带隙半导体其常用的复合方式是构造 异质结和 型异质结能有效降低活化能提高表面催化反应速率 谭雪飞等通过水热法制备出/的光催化纳米复合材料复合材料相较于纯相的 光腐蚀性能有显著提高另外其光催化寿命也得到了延长复合材料降解亚甲基蓝的降解率达到了.相对于纯 的降解率提高了.大大提高了对亚甲基蓝的降解效率 王茹雪等采用微波水热法制备出对称双 型的/纳米复合材料其复合材料的光催化性能较为稳定可重复使用性较高对水中诺氟沙星的降解效果较优其降解效率达到了.等通过高温分解制备出了一维/复合材料其纤维能带结构为 字型异质结在光照条件下复合材料在 内降解盐酸四环素达到了 以上有效分解了水中的抗生素类物质 等使用静电纺丝法制备出 型的/纳米复合光催化剂与纯 相比复合材料对甲基橙的降解效率有了极大的提高另外复合材料还扩大了光的吸收范围使表面活性得到了增强.碳材料复合将 与碳材料进行复合能够发挥碳材料在光学、电学、力学等方面的优异特性能够加快电子迁移、抑制电子空穴的复合来增强 的催化性能 常见的碳材料有石墨烯、碳纳米纤维、纳米碳球等由于石墨烯具有导电性高、比表面积较大、能量带隙容易控制等优点常常将其与进行复合 张淑娟等通过水热法与液相浸渍还原法制备出 纳米粒子修饰的三维还原氧化石墨烯()/复合材料催化剂由于复合材料的电子传递能力得到了提高导致其催化活性及稳定性得到了有效提升 等采用水热法合成了/复合材料增强了 的电光催化活性相对于纯的来说石墨烯复合后的 其降解有毒染料废水的能力得到了提升从而保持水体的良好环境 使用薄膜转移与吸附技术制备出了 与 掺杂石墨烯量子点共同修饰 亚微米棒光电阴极复合材料提高了光捕获能力且增强了光生载流子的有效分离和转移而显示出增强的光电化学活性 通过水热法制备出/三元异质结光催化剂石墨烯的加入使复合材料得到了更多的反应活性位点加速了电子空穴的分离光催化活性得到了显著提升对盐酸四环素、罗丹 与环丙沙星的去除率分别为 和 在能源环保领域的应用当今全球面临着资源严重短缺的问题并且世界环境日益恶化污染越来越严重 处理环境问题以及解决资源短缺的问题迫在眉睫 光催化技术由于其处理产物无污染的优点被广泛应用作为一种新型功能材料在处理环境问题中被广泛使用其具有价格低廉、合成方法简单、热稳定效果的优点在光催化技术中常常作为催化剂被使用 目前已经在光催化治理废气、水污染物以及开发新资源等方面发挥重要作用.治理挥发性有机废气挥发性有机气体具有污染危害大、传播范围广、治理难度大的特点常见的挥发性有机气体有苯系物、有机氯化物、氟里昂系列、有机化合物以及石油烃化合物等 在 作光催化剂治理有机废气时将有机废气转换成为无机物进行处理 例如 等采 用 水 热 法 与 还 原 法 制 备 合 成 出纳米花与 纳米球复合物纳米球传感器表现出比 纳米花传感器更好的甲醛气体传感性能 经还原法将铂纳米离子修饰在 纳米球表面上甲醛的传感响应以及选择性得到了进一步增强可以用来监控室内的甲醛浓度 郝迎广制备出 负载纳米 的复合材料其反应 后对甲醛与甲苯的去除率接近 相对于纯 甲醛的去除率提高了.甲苯的去除率提高了.与纯相比甲醛和甲苯的去除率分别提高了.和.治理水中污染物水是生命之源但是水中的污染物多种多样常见的水中污染物有细菌、病毒、悬浮物、各种有害的化学有机、无机等物质 基光催化剂能够有效地降解水中污染物 等通过水热合成法与原位沉积相结合法制备出了/光催化剂复合材料的制备使光生电子空穴对的分离效率得到了显著提高并且提高了对双氯芬酸钠的降解效率 等研究人员发现将硅与金的纳米粒子附着在/上可以使苯酚的降解效率得到提高在光照条件下 内复合材料对苯酚的降解效率达到了 等使用水热法与溶液沉淀法制备出/光催化剂在 内复合材料对四环素的降解达到第 期张鹤凡等:铋酸铜光催化剂的制备改性及其在能源环保领域的应用降解速率是纯 的.倍 等采用简单的水热法制备出 型/的光催化复合材料其对环丙沙星的光催化降解率达到了 亚甲基蓝的降解效率为 对兰纳素红 的降解效率为 对罗丹明 以及双酚 的降解效率分别为 与.制备 光催化制氢是指将太阳能转化成为氢能源基光催化剂能够将水分解生成氢气 等采用水热法、滴铸法与后续退火法制备出/双层复合光电阴极通过改变反应条件复合材料获得了优异的光电化学性能电荷的分离效率和传输效率以及复合材料的析氢效率都得到了明显的提高 等采用模板辅助合成的方式制备出 枝晶再使用 钝化层保护枝晶结构其活性与稳定性都得到了显著的提高光电流密度也较为稳定 等采用固相反应法制备尖晶石氧化物 发现制备出的 比传统的阴极氧传输性能高在 下显示出较高的峰值功率密度.制备 为解决世界能源短缺问题作为一种新兴能源被广泛应用在工业与生活中 作为催化剂可以利用光能生成 这一方法既能实现将光能转化成为可再生能源进行稳定储藏又能将光能直接转化为高附加值的化学品 采用水热法合成 纳米棒阵列光电阴极并且通过浸渍法制备出 离子掺杂的 纳米棒阵列光电阴极其促进了离子氧化还原的途径生成的选择性有了明显提高在 内 的生成浓度达到./是原光阴电极的.倍 等在 薄膜上添加 薄膜利用光致温度梯度产生内部电场制作出了一种新型的光阴电极复合光阴电极的光电化学活性显著增强产生浓度为./相对于 高.倍 结束语本文 讲 述 了 有 关 的 制 备 与 改 性可以通过多种方式进行制备从而制备出形状不同的 因为 的形貌不同所以的性能也不尽相同 可以通过对 制备条件的控制制备出所需要的 光催化剂从 而 达 到 不 同 的 效 果 另 外 讲 述 了 有 关改性的方法可以通过元素掺杂、半导体复合、贵金属沉积、碳材料复合等方式对 进行改性改性过后的 在降解效率以及光电化学性能等方面都得到了极大的提升 在光催化中作为一种新型的材料应用为保护环境、处理污染物、提供新型能源等提供了新的方式在不影响环境的条件下做到降解最大化、能源最新化参考文献:黄易旋卓康基徐娟等.绿色还原硝基芳烃催化剂和催化机理研究进展.应用化工():./.:.李迪支妙李琛.铋基光催化材料在有机污染净化中的应用.化工技术与开发():.:.:.苏州首户电气有限公司.一种改性铋酸铜光催化剂及其制备方法:.郝寿辰蒋林芳郝洪顺等.微球的制备及其光催化性能.大连工业大学学报():.:.():.李自新李浩浩武翔等.光电极改性策略的研究.化工技术与开发():.():.:./应用化工第 卷 /.():.:./():.:.杨帅飞刘博刘志军等.光催化材料改性研究进展.应用化工():.谭雪飞邹慧君袁萍等./复合光催化材料的制备及其可见光降解性能研究.化工技术与开发():.辽宁大学.一种复合双 型光催化剂/及其制备方法和应用:./.:./.:.李俊叶刘爽./光催化复合材料光催化活性提 升 路 径 研 究 .应 用 化 工 ():.李恒罗秋艳王光辉等.石墨烯复合光催化材料在环境治理中的应用研究进展.应用化工():.张淑娟杨婕妤张翊青等.纳米粒子修饰还原氧化石墨烯/复合材料的制备及电催化性能.复合材料学报():./.:.:.:.:.费 县 三 鼎 工 程 科 技 中 心.一 种 空 气 净 化 涂 料:.():./.():./.():./.:./.():.():.:.:.:.