摘 要

随着当今社会的飞速发展，资源和环境问题日益严重。近年来，光催化技术在污染物降解、裂解水制氢气和有机物合成方面取得了丰硕的成果，有望成为解决能源危机和环境污染这两大难题的有效手段之一。但是，传统的光催化材料（如：TiO₂等），由于禁带宽度较大，无法利用可见光，仅能利用太阳光中的紫外光部分，导致对太阳能的利用率较低。因此，发展新型、高效的可见光催化剂具有重要意义。

本研究采用无模板法，成功合成了具有大比表面积的钨酸铋多孔纳米片光催化材料。即利用原位离子交换反应合成无孔非晶态的钨酸铋纳米片前驱体，之后再通过对前驱体进行煅烧，制备出结晶度高并具有多孔结构的钨酸铋纳米片。通过该原位离子交换反应获得的钨酸铋多孔纳米片光催化材料，由于其比表面积显著高于普通颗粒状或块状材料，从而具有优异光催化活性。我们通过场发射扫描电镜(FESEM)、X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、紫外-可见吸收光谱(UV-vis)、氮气吸附脱附等温线(BET)等测试方法，对所得的钨酸铋多孔纳米片光催化剂的微观形貌和晶体结构进行了表征。

实验结果表明：通过本原位离子交换合成路线成功合成出尺寸较大(2-15 μm)、厚度较薄(20-50 nm)的钨酸铋多孔纳米片光催化材料；所得的钨酸铋多孔纳米片在可见光(波长大于400 nm)的照射下对苯酚水溶液有较高的光催化降解能力，其一级速率常数k = 0.0074 min^-1。

本研究的创新点：在不添加任何模板剂或其他外加剂的条件下，发展了一种高活性钨酸铋多孔纳米片光催化材料的原位离子交换合成新方法。

关键词：光催化；钨酸铋；多孔纳米片；原位离子交换反应

Abstract

With the fast development of our today’s society, the problems of resources and environment are becoming more and more serious. In recent years, fruitful achievements of organic pollutant decomposition, hydrogen production by water splitting and organic synthesis were acquired in photocatalysis field, and it is expected to be one of the effective strategies to solve these two problems. Traditional photocatalytic materials such as TiO₂ can only absorb the ultraviolet light from the sun light because of its wide band gap. Therefore, it’s important to develop novel efficient visible-light-photocatalysts.

In this study, the porous Bi₂WO₆ nanosheets with a high specific surface area were synthesized successfully by a template-free route. Namely, after an in situ ion-exchange reaction to prepare the amorphous Bi₂WO₆ nanosheets precursor without hole, the Bi₂WO₆ nanosheets with porous structure were acquired by a high temperature calcination. The porous Bi₂WO₆ nanosheets prepared by the in situ ion-exchange reaction show a higher photocatalytic performance compared with usual granular or bulk materials owing to its large specific surface area. Morphology and the crystal structure of obtained materials were characterized by FESEM, XRD, TEM, UV-vis and BET.

The results show: the porous Bi₂WO₆ nanosheets with a large size (2-15 m) and small thickness (20-50 nm) can be prepared successfully by this ion-exchange reaction route; the obtained Bi₂WO₆ samples have a high photocatalytic performance for the decomposition of phenol solution under visible light (≥ 400 nm) irradiation and the rate constant is 0.0074 min^-1.

The innovation of this paper: a facile in situ ion-exchange synthesis of porous Bi₂WO₆ nanosheet photocatalysts with high photocatalytic performance was developed without adding any additives or templates.

Keywords: photocatalysis; Bi₂WO₆; porous nanosheets; in situ ion-exchange reaction

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 光催化技术概述 1

1.1.1 光催化机理 1

1.1.2 光催化材料 2

1.1.3 光催化性能的影响因素 2

1.1.4 提高光催化性能的途径 4

1.1.5 光催化降解反应动力学 5

1.2 二维多孔纳米材料概述 6

1.2.1多孔纳米材料简介 6

1.2.2 二维多孔纳米材料合成方法 7

1.2.3 二维纳米光催化材料简介 7

1.3 钨酸铋光催化材料的简介及研究现状 8

1.3.1 钨酸铋材料的性质 8

1.3.2 钨酸铋光催化材料的研究现状 8

1.4 课题的主要研究内容和意义 9

第二章 实验部分 10

2.1 实验试剂及仪器 10

2.1.1 实验试剂 10

2.1.2 实验仪器 10

2.2 钨酸铋多孔纳米片的制备 11

2.2.1 钨酸铋纳米片前驱体的制备 11

2.2.2 钨酸铋多孔纳米片的制备 11

2.3 表征方法 11

2.4 光催化性能测试 12

第三章 结果与讨论 13

3.1 样品的形貌与结构分析 13

3.1.1 扫描电镜（SEM） 13

3.1.2 X射线衍射（XRD） 14

3.1.3 透射电镜（TEM） 14

3.1.4 比表面积及孔径分布(BET) 15

3.1.5 紫外可见吸收光谱（UV-vis） 16

3.2 钨酸铋多孔纳米片的形成机理 17

3.3 钨酸铋多孔纳米片的光催化性能及原理 22

第四章 结论 24

参考文献 25

致 谢 29

第一章 绪论

1.1 光催化技术概述

自1972年两位日本科学家Fujishima和Honda发现Pt/TiO₂电极在紫外光的照射下，可使水分解并在电极表面生成H₂和O₂以来^[1]，光催化便成为了一个热门的研究领域。光催化反应的能量来源于太阳能，太阳能与传统能源相比具有廉价、可再生、无污染等优势，成为了未来社会可持续发展的最理想能源。近几十年来，光催化技术因在有机污染物降解^[2]、裂解水制氢气^[3]和有机物合成^[4]等方面表现出巨大发展潜力，有望成为解决人类社会当前所面临的资源危机与环境污染这两大难题的有效途径之一。

1.1.1 光催化机理

半导体光催化材料在受到一定波长(h≥ Eg)的光源照射后，位于价带(VB)的电子因吸收光能而受激跃迁至导带(CB)形成光生电子(e^-)，而在价带上留下空穴(h )。所形成的光生电子-空穴对(即光生载流子)分别具有较强的还原和氧化能力，经扩散迁移至催化剂表面后，可与吸附在光催化材料表面的物质发生氧化还原反应，其氧化还原能力的强弱由其能带位置决定。其反应机理如图1-1所示。