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        BiOCl/ZnO復(fù)合光催化劑的制備及其光催化性能 *

        2021-07-12 12:13:30牛鳳興高曉明張雪梅
        功能材料 2021年6期
        關(guān)鍵詞:催化劑特征

        牛鳳興,蔣 帥,高曉明,張雪梅

        (延安大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院,陜西省化學(xué)反應(yīng)工程重點實驗室,陜西 延安 716000)

        0 引 言

        半導(dǎo)體光催化技術(shù)具有反應(yīng)速度快,條件溫和,無二次污染及催化降解完全等優(yōu)點,在染料廢水及有機污染物治理等方面受到廣泛關(guān)注[1-2]。ZnO是一種常用的n型半導(dǎo)體光催化劑,禁帶寬度約為3.2 eV具有高效穩(wěn)定、價廉無毒等優(yōu)點,但由于ZnO的能帶較高,對太陽光利用效率偏低,因而限制了其在光催化領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[3-4]。目前,國內(nèi)外的研究學(xué)者采用金屬摻雜[5]、非金屬摻雜[6]、半導(dǎo)體復(fù)合[3-4,7]等多種手段改善ZnO的結(jié)構(gòu)與性質(zhì),提高其光催化活性,并取得了一定成效。

        氯氧化鉍是一種p型半導(dǎo)體,其禁帶寬度約為3.5 eV,是光催化降解水和空氣污染物的良好催化劑,其缺點是只吸收紫外光,對太陽光利用效率偏低[8-10]。研究表明,半導(dǎo)體復(fù)合可以抑制光生電子和空穴的復(fù)合,提高其光催化效率[9,11]。如,M. Wachiraporn[12]等采用微波輔助水熱法合成了微球狀BiOBr/BiOCl復(fù)合材料,結(jié)果表明,BiOBr/BiOCl復(fù)合材料比純BiOCl或純BiOBr具有更好的光催化活性。Cheng J. S.[13]等采用簡單的混合法制備了BiOCl/BiOF復(fù)合光催化劑,結(jié)果表明,BiOF和BiOCl中氧空位態(tài)的良好能帶匹配導(dǎo)致電子空穴對的有效分離,在紫外可見光照射70 min,BiOCl/BiOF可使甲基橙的降解率達95%,活性明顯優(yōu)于BiOF(73%)或 BiOCl(88%)。

        本文采用水熱法制備BiOCl/ZnO復(fù)合光催化材料,以400W金鹵燈為光源,鄰苯二酚為模擬污染物,研究 BiOCl/ZnO的光催化降解活性及穩(wěn)定性。

        1 實驗部分

        1.1 試劑

        六水合硝酸鋅(Zn(NO3)2·6H2O,AR)、氯化鉀(KCl,AR)和五水合硝酸鉍(Bi(NO3)3·5H2O,AR),天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;氫氧化鈉(NaOH,AR)和無水乙醇(AR),天津市天力化學(xué)試劑有限公司;鄰苯二酚(AR),上海山浦化工有限公司。

        1.2 BiOCl/ZnO制備

        在20 mL濃度為3 mmol的Zn(NO3)2·6H2O溶液中逐滴加入同體積濃度為3 mmol的NaOH溶液,生成白色沉淀,加入一定量的KCl后置于攪拌器上攪拌10 min,之后在上述混合液中加入不同比例的Bi(NO3)3·5H2O,使得Bi與Zn摩爾比分別為1∶1、1∶2、1∶3,繼續(xù)攪拌30 min后將此混合液轉(zhuǎn)移到聚四氟乙烯反應(yīng)釜中,放入100℃的鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)反應(yīng)2 h。待冷卻至室溫后離心,分別用去離子水和無水乙醇洗滌數(shù)次,40℃烘干備用。在相同條件下,制備純ZnO和純BiOCl備用。

        1.3 BiOCl/ZnO表征

        樣品的物相組成用日本島津公司XRD-7000型X射線衍射儀測定,Cu石墨單色器(Ni濾玻片濾波,λ=0.15418 nm) , 40 kV /30 mA,λ為 0.15418 nm,步長0.02°,掃描范圍2θ:10 ~ 80°。樣品的元素分析用德國布魯克公司XFlash6130型布魯克EDS能譜儀測定,樣品的形貌用德國蔡司公司EVO-18型掃描電子顯微鏡測定。樣品的光學(xué)性能分析用日本SHIMADZU公司 UV-2550型紫外-可見分光光度儀測定。樣品的化學(xué)成分、價態(tài)分析用美國賽默飛世爾科技公司ESCAL-AB 250Xi型X射線光電子能譜分析儀測定。

        1.4 催化劑的光催化活性評價

        在南京胥江機電廠生產(chǎn)的XPA系列光化學(xué)反應(yīng)儀上進行BiOCl/ZnO光催化降解鄰苯二酚實驗。稱取0.02 g BiOCl/ZnO光催化劑加入到20 mL濃度為10 mg/L的鄰苯二酚溶液中,放入光化學(xué)反應(yīng)儀暗室反應(yīng)30 min,待達到吸附解吸平衡后啟動400W金鹵燈,光照反應(yīng)120 min,每30 min取一次樣,離心分離取上清液,用日本SHIMADZU公司UV-2550型紫外-可見分光光度儀在鄰苯二酚最大吸收波長(λmax=275 nm)處測定其吸光度[14]。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 樣品的XRD分析

        圖1是不同含量BiOCl/ZnO的XRD圖譜。其中,(a) BiOCl; (b) 1∶1 BiOCl/ZnO; (c) 1∶2 BiOCl/ZnO; (d) 1∶3 BiOCl/ZnO; (e) ZnO。圖中各樣品的特征峰比較尖銳,說明具有較好的結(jié)晶度。純BiOCl的圖譜在13.45°,24.42°,25.68°,32.45°,33.67°,36.32°,40.55°,46.12°,49.58°,53.54°,54.87°,58.62°,60.13°,68.33°出現(xiàn)了BiOCl的特征峰,這些峰可歸屬于正方晶系BiOCl[15](JCPDS No.06-0249)的(001)、(002)、(101)、(110)、(102)、(003)、(112)、(200)、(113)、(211)、(104)、(212)、(114)、(220)晶面。同時,純ZnO在31.77°,34.45°,36.26°, 47.55°,57.44°,63.56°,67.52°,68.74°出現(xiàn)了ZnO的特征峰,與六方晶系ZnO的標準卡片(JCPDS No.36-1451)各特征峰的位置基本吻合[16]。由圖1可以看出,復(fù)合催化劑BiOCl/ZnO的圖譜中可以看出,隨著Zn比例的增大,BiOCl的峰高度有所降低,表明ZnO的存在逐漸抑制了BiOCl 晶體的生長。

        圖1 樣品的 XRD圖譜Fig 1 XRD patterns of prepared samples

        2.2 樣品的XPS分析

        圖2是1∶1BiOCl/ZnO的XPS圖譜。從圖2(a)可以看出,樣品中含有Bi、O、Cl和Zn元素,其中C元素是歸屬于儀器本身的C污染源。圖2(b)中位于159.2和164.5eV的特征峰分別對應(yīng)于Bi4f7/2和Bi4f5/2,表明BiOCl/ZnO中Bi元素以+3價存在[17]。圖2(c)中位于530.3 eV的特征峰對應(yīng)于樣品中的晶格氧,位于532.0 eV的特征峰對應(yīng)于樣品表面吸附水的羥基氧[18-20]。圖2(d)表明樣品中Cl元素在198.0和199.5 eV處有2個特征峰,分別對于Cl2p3/2和Cl2p1/2。圖2(e)中位于1022.5 eV和1045.6 eV的特征峰分別對應(yīng)于Zn2p3/2和Zn2p1/2,說明Zn是以Zn2+的形式存在。

        圖2 1∶1BiOCl/ZnO的XPS圖譜Fig 2 XPS spectra of 1∶1 BiOCl/ZnO sample

        2.3 樣品的SEM與EDS分析

        圖3是純BiOCl、純ZnO和BiOCl/ZnO復(fù)合材料的SEM圖和TEM圖。其中,(a) BiOCl; (b) ZnO; (c) 1∶1 BiOCl/ZnO; (d) 1∶2 BiOCl/ZnO; (e) 1∶3 BiOCl/ZnO; (f) 1∶1 BiOCl/ZnO。由圖3(a)可知,純BiOCl是花球狀結(jié)構(gòu);圖3(b)中純ZnO呈現(xiàn)大小不一的棗核狀結(jié)構(gòu);由圖3(c)和3(f)可見,1∶1BiOCl/ZnO打破了純BiOCl的花球狀結(jié)構(gòu)和純ZnO的棗核狀結(jié)構(gòu),呈現(xiàn)納米片層疊狀,說明BiOCl和ZnO進行了較好的復(fù)合。由圖3(d)和圖3(e)可見,隨著ZnO含量的增加,BiOCl/ZnO的形貌發(fā)生顯著的變化,樣品的顆粒有團聚現(xiàn)象。

        圖3 樣品的SEM圖(a~e)和TEM圖(f)Fig 3 SEM and TEM images of prepared samples

        圖4為1∶1BiOCl/ZnO樣品的EDS圖譜。由圖4可見,樣品中只含,Bi、Zn、O、Cl、C 五種元素,其中C元素來自于承載樣品的導(dǎo)電膠。所制備的樣品為目標產(chǎn)物。

        圖4 1∶1BiOCl/ZnO的EDS圖譜Fig 4 EDS spectrum of 1∶1 BiOCl/ZnO

        2.4 UV-Vis 吸收光譜分析

        圖5為純ZnO、BiOCl和BiOCl/ZnO復(fù)合光催化劑的紫外-可見漫反射光譜圖。由圖5可見,所有樣品在200~313 nm紫外光區(qū)均有較強的吸收,且與純BiOCl相比,BiOCl/ZnO的吸收波長發(fā)生紅移,吸收強度和吸收范圍增大,這是由于BiOCl和ZnO有匹配的帶電位,進而促進了光生電子/空穴的分離和遷移,從而使BiOCl/ZnO顯示出較高的催化活性[21]。BiOCl/ZnO與ZnO相比,其吸收帶邊略有藍移,可能是由于BiOCl和ZnO的相互作用所致[22]。

        圖5 樣品的紫外-可見漫反射光譜Fig 5 UV-Vis spectra of prepared samples

        2.5 BiOCl/ZnO光催化降解鄰苯二酚的性能

        圖6為不同BiOCl/ZnO 復(fù)合光催化劑對鄰苯二酚的光催化降解測試結(jié)果。由圖6(a)可以看出,鄰苯二酚在無催化劑只光照的條件下幾乎不降解,加入不同BiOCl /ZnO 復(fù)合光催化劑暗反應(yīng)30 min后,鄰苯二酚的初始濃度有不同程度的下降,可見所制備的催化劑有一定的吸附性能。以金鹵燈為光源,進行光催化反應(yīng),各催化劑對鄰苯二酚的降解率隨著光照時間增加而增加,BiOCl/ZnO復(fù)合光催化劑的降解率明顯高于純ZnO和純BiOCl,其中1∶1BiOCl/ZnO降解率最大,為95.7%。這可能是由于BiOCl/ZnO復(fù)合材料中所形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)有利于降低光生電子和空穴的復(fù)合率[21-22]。

        圖6(b)為不同BiOCl/ZnO光催化降解鄰苯二酚的一級反應(yīng)動力學(xué)曲線??梢钥闯?,ZnO、

        BiOCl以及BiOCl/ZnO降解鄰苯二酚的一級動力學(xué)曲線都近似為一條直線,回歸系數(shù)均大于0.96,說明滿足準一級動力學(xué)方程。圖6(c)列出了各樣品降解鄰苯二酚的表觀速率常數(shù)k,可以看出1∶1BiOCl/ZnO對鄰苯二酚的光催化降解的速率常數(shù)最大,分別是純ZnO和純BiOCl的6.09和4.19倍,說明半導(dǎo)體復(fù)合可以明顯提高光催化活性。

        圖6 不同催化劑光催化性能比較Fig 6 The comparison of the photocatalytic performance of different catalysts

        為了考察1∶1BiOCl/ZnO光催化的穩(wěn)定性,將其回收經(jīng)過水洗、醇洗數(shù)次,干燥后再利用,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知,1∶1BiOCl/ZnO使用4次后降解率由95.7%降為90.2%,穩(wěn)定性良好。光催化活性略有下降可能是由于1∶1BiOCl/ZnO回收時有損耗以及1∶1BiOCl/ZnO催化劑在清洗過程中仍有少量鄰苯二酚殘留,導(dǎo)致光催化劑的活性位點減少造成的。

        圖7 1∶1BiOCl/ZnO光催化降解鄰苯二酚的穩(wěn)定性Fig 7 Stability of 1∶1 BiOCl/ZnO in the photocatalytic degradation of catechol

        3 結(jié) 論

        (1)以Zn(NO3)2·6H2O,NaOH、KCl和Bi(NO3)3·5H2O為起始原料,采用水熱法合成不同比例的 BiOCl/ZnO 復(fù)合催化劑,并借助XRD、XPS、SEM、EDS和UV-Vis等測試技術(shù)對其組成、形貌和光吸收特性等進行表征。結(jié)果表明,BiOCl/ZnO比純BiOCl的吸收強度和吸收范圍增大,是由于BiOCl與ZnO的協(xié)同催化作用,促進了光生電子/空穴的分離和遷移。

        (2)以鄰苯二酚為研究對象,考察BiOCl/ZnO 復(fù)合催化劑的光催化活性。實驗結(jié)果表明,BiOCl/ZnO復(fù)合光催化劑比純ZnO和純BiOCl的催化活性好,其中1∶1BiOCl/ZnO復(fù)合催化劑的光催化性能最好,在金鹵燈光照反應(yīng)120 min后使10 mg/L鄰苯二酚降解率達到95.7%,速率常數(shù)分別是純ZnO和純BiOCl的6.09和4.19倍。

        (3)1∶1BiOCl/ZnO光催化劑穩(wěn)定性良好,重復(fù)使用4次后對鄰苯二酚的降解率仍在90.0%以上??梢?,BiOCl/ZnO 光催化劑在酚類廢水降解方面有潛在的應(yīng)用價值。

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