论文总字数：29641字

摘 要

WO₃作为一种新型可见光响应的光催化材料，具有禁带宽度（2.4–2.8eV）窄，毒性低，廉价易得，稳定性好等优点，在提高太阳光利用率，环境净化和新能源开发方面具有诱人的前景。然而纯WO₃由于光生电子-空穴对的快速复合并不能达到较好的光催化效果。本文对WO₃光生电子-空穴对的快速复合的缺点，采用半导体复合的方法对其改性，提高其光催化效率。实验通过微波辅助的沉淀法以及后续在不同温度下的热处理成功合成了WO₃/H₂WO₄异质结。热重分析（TG），X射线衍射（XRD），扫描电子显微镜（SEM）和紫外-可见光漫反射光谱（DRS）分别来研究合成样品的热分解规律，晶体结构，形貌和光学性质。通过在可见光（λgt;420nm）下罗丹明B降解的实验来评估催化剂的催化活性。结果表明200℃下热分解所得催化剂的活性最高，其一级降解动力学的表观速率常数最大，为0.01054min^-1。其光催化活性的增强来源于WO₃/H₂WO₄异质结结构对光生电子和空穴对的高效分离作用。

关键词：WO₃，H₂WO₄，光催化，半导体复合

PREPRARATION AND PHOTOCATALYSTIC PERFORMANCE RESEARCH OF WO₃/H₂WO₄ HETEROJUNCTION PHOTOCATALYST

Abstract

WO₃ is a new visible-light responsive photocatalytic materials with the advantages of a narrow band gap (2.4-2.8eV) , nontoxicity, easy availability, stability in photocatalytic oxidation process etc., which make it become very promising in the improvement of the solar light utilization, environmental purification and developing new energy sources. However, the fast recombination of the electron-hole pairs of pure WO₃ render it ineffective. This article, aimed at the shortcoming of the fast recombination of the electron-hole pairs, adopt semiconductor combination approach to improve the photocatalytic efficiency. The WO₃/H₂WO₄ heterojunction was synthesized by microwave-assisted precipitation method and the subsequent heat treatment at different temperatures. Thermogravimetric analysis (TG), X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and UV-vis diffuse reflectance spectroscopy (DRS) were used to study the thermal decomposition characteristics, crystal structure, morphology and optical properties of as-perpared respectively. The catalytic activity was evaluated by the degradation experiments of rhodamine B under visible light (λgt;420nm). The results reveal that the activity the catalyst thermodecomposd at 200°C behave as the best photocatalytic activity, and the apparent rate constant of the first-order degradation kinetics which is 0.01054min^-1 reaches the maximum. The enhancement of the photocatalytic activity of the WO₃/H₂WO₄ heterojunction is originated from the efficient separation of the electron-hole pairs.

KEY WORDS: WO₃, H₂WO₄, photocatalysis, semiconductor combination

目 录

摘 要 I

Abstract I

第一章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.2半导体光催化理论 1

1.3 半导体光催化研究进展 2

1.3.1 半导光催化剂的分类 2

1.3.2 光催化反应的速率和效率 3

1.3.3 半导体光催化剂的缺陷与不足 3

1.3.4 半导体光催化剂的改进方法 4

1.4 本文的研究目的和主要研究内容 10

第二章 试验方法及测试技术 11

2.1 实验材料与方法 11

2.1.1 实验材料 11

2.1.2 实验方法 11

2.2测试技术 12

2.2.1 X射线衍射（XRD） 12

2.2.2 紫外-可见光漫反射光谱（DRS） 12

2.2.3 扫描电子显微镜（SEM） 13

2.2.4 透射电子显微镜（TEM） 13

2.2.5 X射线光电子能谱（XPS） 13

2.2.6 热重分析（TG） 13

第三章 WO₃/H₂WO₄光催化剂的表征及其光催化活性 14

3.1 WO₃/H₂WO₄催化剂的表征 14

3.1.1 催化剂的热重分析 14

3.1.2 催化剂的晶体结构 14

3.1.3 催化剂的形貌 15

3.1.4 催化剂的光学性质和能带结构 16

3.2 WO₃/H₂WO₄光催化降解罗丹明B 18

3.3 WO₃/H₂WO₄ 光催化降解机理 20

3.4 本章小结 21

总结 22

致谢 22

参考文献 23

绪 论

1.1 引言

随着经济的快速发展，人类所面临的环境问题也日益严重，环境保护，污染治理已成为人类社会所共同面对的一项重要议题。过去的几十年里，科学家提出许多措施来解决污染问题，如吸附分离法、混凝法、膜分离法、生物降解法，直接化学氧化法和电氧化法来处理水中的污染物；物理吸附法，臭氧氧化法和低温等离子体净化法可用于空气的净化，但这些方法都存在一定的局限性而不能达到令人满意的效果。光催化剂技术提供了一条低成本、高效的新途径来治理环境污染。光催化剂技术利用取之不尽的太阳能作为能量来源，使用可重复使用的半导体光催化剂将污染物降解为环境中的水和二氧化碳。因催化剂本身无毒无害，安全有效，降解污染物种类多，净化完全等优点，光催化技术已在环境净化领域引起广泛关注。

1.2半导体光催化理论

1972年， Fujishima和Honda^[1]发现了二氧化钛单晶电极的光催化产氢现象，从而推开了半导体光催化的大门。1976年，Frank等人^[2]将半导体催化剂用来光降解污染物，取得了突破性的成功。此后，他们又开展了TiO₂降解水中污染物的研究^[3]，获得令人满意的结果。carey等人对TiO₂光催化氧化水中的PCB化合物脱氯展开研究并取得成功^[4]。几十年间，光催化技术在污水治理、环境净化方面得到迅猛发展。对于半导体的催化机理，一般可由半导体能带理论解释。半导体的能带结构是由填充电子的低能导带（CD）和空的高能价带（VD）构成。价带和导带之间称为禁带。禁带的大小称为禁带宽度（E_g），禁带之间没有电子。因此半导体内有分立的能级存在，当半导体受到能量大于或等E_g的光照射时，价带上的电子就可以吸收光子的能量跃迁到导带，从而导带上产生具有还原性的电子（e^-），而价带上由于电子跃迁留下正电荷，称为空穴（h ）。空穴具有强氧化性，这样就产生电子-空穴对。电子和空穴或发生复合或参与反应，其过程可由图1-1表示：

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：29641字