新型BiOBr光催化剂的合成及催化性能研究完整论文

分类号： O643.3 2014 届本科生毕业论文题目：新型 BiOBr 光催化剂的合成及催化性能研究作 者 姓 名： 叶玲 学 号： 2012090710 学院 、专业： 生物与化学工程学院、化学工程与工艺 指导教师姓名： 张孝杰 指导教师职称： 讲师 2014 年 6 月 6 日2014 届本科生毕业论文 新型 BiOBr 光催化剂的合成及催化性能研究2摘 要本文以金属铋、浓硝酸、溴化钠和醋酸等为原料，利用水热法在不同的条件（不同的温度、不同反应时间）下成功的制备出了 BiOBr 光催化剂。利用扫描电子显微镜、X 光电子能谱仪、X-射线衍射仪、红外吸收光谱、粒度分析仪等仪器并对合成催化剂进行了性质表征。结果表明所合成催化剂形貌为规则花球状团簇化合物，粒径分布均匀，80/2h 、120/2h、120/4h、120/6h 合成的粒径分别大概为110nm、25nm、72nm、230nm。以对苯二酚为目标污染物，研究所制备BiOBr 催化剂的光催化性能，研究了不同制备条件、不同催化温度、不同催化反应时间、不同催化剂用量、有无光照等对催化性能的影响，结果表明 120/6h 制备的 BiOBr 光催化剂在 35恒温下，经过紫外光照催化活性最好，降解效率达到 79。关键词： BiOBr；光催化剂；制备；光催化性能；水热法2014 届本科生毕业论文 新型 BiOBr 光催化剂的合成及催化性能研究3ABSTRACTBiOBr photocatalyst was synthesized by bismuth, concentrated nitric acid, sodium bromide and acetic acid using hydrothermal method at various temperature and different reaction time. Base on analytical method of scanning electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, X-ray diffraction, infrared absorption spectroscopy and particle size analyzers ,the catalysts were characterized. The results showed that the morphology of synthesis catalyst appeared to globular clusters and particle distribution is uniformity. The catalysts were synthesized under 80 / 2h, 120 / 2h, 120 / 4h, 120 / 6h, the particle diameters were 110nm, 25nm, 72nm, 230nm respectively. In order to study photocatalytic properties of BiOBr, target pollutants was chose to hydroquinone, catalytic performance of catalysts were studied in different preparation conditions, such as different catalytic temperature different catalytic reaction time, different amount of catalyst, and the presence or absence of light. The result indicated: BiOBr was synthesized at 120 / 6h. The catalytic activity of BiOBr was better when it was prepared at 35 under UV irradiation. The degradation efficiency was 79%.Keywords: BiOBr; Photocatalyst; Thesis; Photocatalytic properties; Hydrothermal2014 届本科生毕业论文 新型 BiOBr 光催化剂的合成及催化性能研究4目 录引言 .11 实验部分 .21.1 实验药品与仪器 .21.1.1 主要实验试剂 .21.1.2 实验仪器 .21.2 光催化剂制备 .31.3 光催化剂的表征 .31.4 对苯二酚的降解 .31.5 对苯二酚溶液的光降解性质 .41.5.1 未加催化剂时对苯二酚紫外光照分解实验 .41.5.2 加催化剂时对苯二酚无光暗处实验 .42 结果与讨论 .52.1 产物性质表征 .52.1.1 XRD 物相分析 .52.1.2 SEM 与 EDS 分析 .52.1.3 ZETA 粒径分析 .62.1.4 IR 红外分析 .72.1.5 TG 热重分析 .82.2 性能研究 .92.2.1 对苯二酚浓度对降解效率的影响 .92.2.2 催化剂用量对降解效率的影响 .102.2.3 不同的催化剂对降解效率的影响 .112.2.4 不同催化反应温度对降解效率的影响 .123 结论 .13参考文献 .142014 届本科生毕业论文 新型 BiOBr 光催化剂的合成及催化性能研究5致谢 .15新型 BiOBr 光催化剂的合成及催化性能研究叶玲（生物与化学工程学院 12 级化学工程与工艺专升本班）指导教师：张孝杰摘要：本文以金属铋、浓硝酸、溴化钠和醋酸等为原料，利用水热法在不同的条件（不同的温度、不同反应时间）下成功的制备出了 BiOBr 光催化剂。利用扫描电子显微镜、X 光电子能谱仪、X-射线衍射仪、红外吸收光谱、粒度分析仪等仪器对合成的催化剂进行了性质表征。结果表明所合成催化剂形貌为规则花球状团簇化合物，粒径分布均匀，80/2h、120/2h、120/4h、120/6h 合成的粒径分别大概为110nm、25nm、72nm、230nm。以对苯二酚为目标污染物，研究所制备 BiOBr 催化剂的光催化性能，研究了不同制备条件、不同催化温度、不同催化反应时间、不同催化剂用量、有无光照等对催化性能的影响，结果表明 120/6h 制备的 BiOBr 光催化剂在 35恒温下，经过紫外光照催化活性最好，降解效率达到 79。关键词：BiOBr；光催化剂；制备；光催化性能；水热法引言1972 年日本科学家 Honda 与 Fujishima 发现在半导体 TiO2 单晶电极上，可以将水进行光解反应，产生氢气和氧气 1。从而，掀起了人们对半导体材料在催化剂领域的广泛研究。利用半导体纳米材料作为光催化剂，在有机化合物的光解或者水分解制备氢气和氧气等问题上，可以经济、安全和生态的选择性解决能源短缺和生态污染等问题。特别是近 20 多年来，工业发展规模越来越大，致使能源短缺和环境污染越加严重，对人类生存环境威胁也越来越大。因此，如何有效的治理污染、保护环境是研究者们感兴趣的研究之一。常见的半导体催化剂有 TiO2、ZnO 2-4、 Cu2O、CdSe、CdS 5、BiVO 4、Ag 3PO4 等。其中，纳米 TiO2 材料的光催化性能最稳定、活性相对较强，是被广泛研究的催化剂材料之一 6-8。2014 届本科生毕业论文 新型 BiOBr 光催化剂的合成及催化性能研究6近年来，研究者发现卤氧化铋型物质也可在紫外光或可见光照明条件下，使卤氧化铋表现出较强的光催化活性，使卤氧化铋型物质潜在的应用于有机污染物的催化降解。特别是 BiOBr 型催化剂，这是一种特殊的，具有二层 Br 层交替结晶形成的含有Bi 2O22+组份的层状结构 9。这种特殊的结构具有合适的禁带宽度、稳定的光催化性能 10，可以在可见光诱导条件下，形成具有相对卓越的光催化活性。这种独特的性能受到越来越多的研究者关注、研究。如：Zhang11等研究了乙二醇辅助溶剂热法，纳米片组成形成三维形状的微球BiOBr，并探讨了微球组装形成的机制，通过紫外可见光谱，认为这种组装的BiOBr 微球禁带宽度为 2.54 eV。这种较窄的能宽和特殊的微球结构，使其作为催化剂，在可见光条件下，光催化性能优于大块片状的 BiOBr 材料。同时，在光催化过程中，催化剂本身结构稳定，使其可以重复多次利用。Ma 等研究了以十六烷基-3-甲基咪唑氯化物作为溶剂，调节反应温度，通过离子热合成法制备出极薄的 BiOCl 纳米片、纳米板阵列和弯曲纳米片等特殊结构。并且，提出了晶体生长习性和动态等理论，解释了各种纳米结构可能形成机理。Ma 等所制备的 BiOCl 纳米片具有优良的吸附性能，使其在废水处理方面具有较好的应用潜力。因此，怎样利用简单的制备方法，制备性能优越的、稳定的卤氧化铋型光催化剂，是新型催化剂研究开发的热点，也是难点之一。本课题以简单的水热合成法制备了 BiOBr 光催化剂。采用 X-射线单晶衍射（XRD ）、扫描电镜（SEM）、红外光谱仪（IR）、同步热分析仪（TG）、纳米粒度仪对样品进行物相晶型结构、形貌、光学和热稳定性进行了分析探讨。并以对苯二酚为模型污染物，利用紫外-可见光谱（UV-vis）对催化剂的光催化性能进行了探讨。1 实验部分1.1 实验药品与仪器1.1.1 主要实验试剂铋粒（CP，沪试）、溴化钠固体（ AR，上海展云）、无水乙醇（ AR，国药集团）、冰乙酸（AR，国药集团）、对苯二酚（ AR）、硝酸（AR，国药集团）、实验用水全部为二次蒸馏水。2014 届本科生毕业论文 新型 BiOBr 光催化剂的合成及催化性能研究71.1.2 实验仪器磁力搅拌器（金城国胜）；超级恒温水浴锅（南大应用物理研究所）；电子分析天平电子天平（FA2004N）；真空干燥箱（上海三发）； U-3310 型紫外分光光度计（日本日立）；傅里叶变频红外光谱仪（Thermo Nicolet）；紫外灯光源（CEL-HX 系统高能量、高稳定紫外灯光源）；超声波清洗器（合肥金尼克）；高速离心机；聚四氟乙烯水热高压釜；X-射线衍射仪；纳米粒度及 Zeta电位分析仪；同步热分析仪；扫描电子显微镜。1.2 光催化剂制备称取 0.664g 的铋粒，加入至 1.6mL 的硝酸溶液中配置 Bi(NO3)3 溶液，待用。然后，称取 2.4694g 溴化钠，加入至含有 75mL 的二次蒸馏水的溶液中配置NaBr 溶液。在 Bi(NO3)3 溶液中加入少量的醋酸，并用玻璃棒搅拌；然后，将NaBr 溶液加到 Bi(NO3)3 溶液中。室温下搅拌 15 分钟后，置于内衬有聚四氟乙烯高压釜中，分别在温度为 80、100、120 条件下，反应 2、4、6h 后取出。自然冷却至室温之后，将产物倒出，用二次蒸馏水和无水乙醇洗涤至中性，除去溶液中的 NaBr，NO 3- 等杂质，离心分离。在 60 的真空恒温箱中干燥12h。1.3 光催化剂的表征利用 U-3310 紫外可见分光光度计（日本日立，采样间隔 0.2 nm，扫描速度为中速，光度模式为吸光度）测定样品的紫外可见吸收光谱；SU1510 型扫描电子显微镜（日本 Hitachi）观察样品的形貌、结构；ZS90 型纳米粒度及 Zeta 电位分析仪（英国马尔文）观察样品的粒径大小分布；FTIR-370 傅立叶变换红外光谱仪对样品进行红外光谱分析；STA409PC 同步热分析仪（德国耐驰）测定样品的热稳定性；利用 DX-2600 型 X 射线衍射仪对样品进行物相分析（丹东方圆，扫描范围为 1080，扫描速度为 5/min，管电压为 35 kV）。1.4 对苯二酚的降解光催化实验以有毒有机物对苯二酚为降解目标, 其结构式为：HO HO用紫外可见分光光度计扫描低浓度的对苯二酚溶液，发现对苯二酚的最大2014 届本科生毕业论文 新型 BiOBr 光催化剂的合成及催化性能研究8吸收波长 289 nm。光催化降解对苯二酚实验以紫外灯为光源，首先称取 10mg 催化剂，加入到 60mL 的 l0mg/L 对苯二酚溶液中，放在暗处搅拌半个小时，使催化剂与降解物达到吸附平衡。然后，放到紫外灯下开始光照。最后每 20 分钟取 6mL 该溶液，静置后用高速离心机离心，再取上层澄清液用紫外-可见分光光度计测定其吸光度。反应过程中，利用循环水保持反应恒温进行。在相同水浴温度下紫外灯照射不同时间，观察对二苯酚的吸光度变化，与初始的对二苯酚溶液的吸光度进行对比，计算出催化剂的降解效率，以此来看催化剂的光催化性能。降解效率表示：降解效率=(1-C/C 0)*100%式中：C 0：初始吸光度 C：最终吸光度以下通过 C/C0 来看催化剂的降解效率。1.5 对苯二酚溶液的光降解性质1.5.1 未加催化剂时对苯二酚紫外光照分解实验光催化实验以对苯二酚为降解目标，紫外灯为光源，本次实验主要研究对苯二酚在无催化剂的条件下，由紫外灯光源照射一定时间，是否分解。将60mL 的 10mg/L 对苯二酚溶液放置于紫外灯下开始照射，最后每 20 分钟取6mL 该溶液，静置后用高速离心机离心，再取上层澄清液用紫外-可见分光光度计测定其吸光度。其中，反应过程中，通循环水保持恒温。最后实验表明，在未加催化剂的情况下，对苯二酚的吸光度不发生变化，即不发生分解，说明催化剂的加入是降解对苯二酚的必要条件。1.5.2 加催化剂时对苯二酚无光暗处实验称取 10mg BiOBr 催化剂，加入至 60mL 的 l0mg/L 对苯二酚溶液，放置暗处搅拌半小时，使催化剂与降解物达到吸附平衡。然后放到紫外灯下开始光照。一段时间后对苯二酚溶液的吸光度会逐渐下降，为了研究对苯二酚溶液吸光度的下降，是由于催化剂的分解还是催化剂的吸附，进行了一次对比实验，实验在无光条件下进行，所有催化剂条件和上述光催化实验相同，唯一不同是将实验地点由紫外灯光源的试验台转移到了暗处搅拌，然后，放到紫外灯下开始光照。最后每 20 分钟取 6mL 该溶液，静置后用高速离心机离心，再取上层澄清2014 届本科生毕业论文 新型 BiOBr 光催化剂的合成及催化性能研究9液用紫外-可见分光光度计测定其吸光度。最后得出，溶液的吸光度在起初一个小时之内会有所下降，一小时之后吸光度不发生变化，这是因为在暗光条件下，BiOBr 催化剂对对苯二酚有具有一定的吸附性能，在无光的情况下加入催化剂进行搅拌，会使催化剂表面吸附一定量的对苯二酚，从而导致对苯二酚吸光度下降，一个小时之后对苯二酚的吸光度不再发生变化是因为此时溶液已经达到吸附-脱附平衡。由此可以得出，对苯二酚被催化剂完全降解后的产物为H2O，CO 2，对苯二酚在无光源照射的条件下，不发生分解，紫外灯光源是催化对苯二酚降解的必要条件。2 结果与讨论2.1 产物性质表征2.1.1 XRD 物相分析图 2 样品的 XRD 谱图图 2 为不同反应条件制备的 BiOBr XRD 谱图。由图可知 BiOBr 的 XRD 曲线分别在