B/C/N掺杂的复合型光催化剂的制备及其降解性能的研究

【摘要】光催化作为一种清洁、高效、环境友好的催化氧化还原技术，可以利用太阳光作为光源，针对性地降解废水或废气中的有机污染物。在众多的光催化材料中，TiO_2因具有无毒、高效、清洁、易制备、稳定等优点而成为研究的重点。但TiO_2的应用受到两方面的制约：较宽的禁带宽度限制了催化剂对较长波长光的利用；光生载流子易复合，导致催化剂的光量子效率较低。本文通过B、C、N三种元素掺杂对TiO_2进行改性，拓宽催化剂的光响应范围。在此基础上，一方面采用Ag掺杂，改善光生载流子复合问题，提高催化剂的光催化性能；另一方面通过添加油酸/油胺作为封端剂对催化剂晶面进行调控，构建了具有异相界面的异质结，也改善了光生载流子复合问题，提高了催化剂的光催化性能。论文主要包括以下三部分：（1）BCN-TiO_2催化剂的制备及其降解性能研究。以硼酸、葡萄糖和氨水分别作为B源、C源和N源，掺杂TiO_2催化剂，制备BCN-TiO_2催化剂。利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线能谱（XPS）、紫外可见漫反射吸收光谱（UV-vis DRS）和电化学性能测试对制备的催化剂进行表征。

将制备的催化剂在可见光下降解亚甲基蓝(MB)溶液,检测催化剂对有机物的光降解性能。实验结果表明:TiO_2、C-TiO_2、N-TiO_2、B-TiO_2和BCN-TiO_2对MB的光催化降解速率分别为0.00228、0.00667、0.00876、0.01089和0.~(-1);C-TiO_2、N-TiO_2和B-TiO_2对MB的光催化降解速率分别是TiO_2的2.93倍、3.84倍和4.78倍;同时,BCN-TiO_2对MB的光催化降解速率是TiO_2的7.25倍,与单元素掺杂改性TiO_2相比有进一步的提高。通过对MB的循环降解实验发现BCN-TiO_2催化剂稳定性良好，可作为光催化降解有机物的催化剂。（2）Ag/BCN-TiO_2催化剂的制备及其降解性能研究在制备的BCN-TiO_2催化剂的基础上，以Ag为银源，利用紫外光实现Ag在BCN-TiO_2催化剂上的光还原沉积，制备出Ag/BCN-TiO_2催化剂。对Ag/BCN-TiO_2催化剂的表征分析表明，Ag以零价元素状态存在于催化剂中。

Ag的存在可以有效拓宽催化剂的光响应范围，有效促进光生载流子的分离，可见光下MB溶液降解实验表明，Ag的引入提高了催化剂对MB的光催化降解率，随着Ag掺杂量的增加，催化剂对MB的光催化降解率呈现先升高后降低的趋势，Ag的最佳摩尔量为Ti摩尔量的0.005%。将Ag/BCN-TiO_2催化剂进一步用于MB的循环降解实验，结果表明该催化剂同样具有良好的稳定性。（3）BCN-TiO_2催化剂的晶面调控及其降解性能研究采用油酸（OLAC）/油胺（OLAM）作为封端剂，对BCN-TiO_2晶面进行调控，提高催化剂{211}晶面的比例。利用XRD、SEM、TEM和UV-vis DRS等对催化剂的{211}晶面比例、催化剂形貌、晶面及光吸收性能进行表征。结果表明，油酸/油胺的加入影响{211}晶面的形成与生长，对催化剂的形貌也有明显的影响。可见光下降解MB溶液表明，晶面调控的催化剂表现出比BCN-TiO_2更高的光催化性能，并且当油酸/油胺与钛酸丁酯的摩尔比为0.1∶1时，催化剂表现出最高的光催化性能。循环降解MB实验也表明，晶面调控得到的催化剂具有良好的稳定性。