基于Z体系的BiVO4/Pt/TiO2复合催化剂制备及其超声/光催化性能

Highly efficient photocatalyst BiVO4/Pt/TiO2 based on Z-scheme would be fabricated. This novel photocatalyst not only could utilize the excitation of wide band gap semiconductor TiO2 and the narrow band gap semiconductor BiVO4, achieving the UV-visible light response and the consequently improved light harvesting efficiency, but also exploit the heterojunction structure between different semiconductors, leading to enhanced quantum efficiency by suppressing the recombination of photogenerated charge carriers. The morphology, optical characteristics and surface composition of BiVO4/Pt/TiO2 catalyst will be analyzed, respectively. The degradation of dye, environmental hormone and antibiotics would be carried out to evaluate the photocatalytic and ultrasonic-photocatalytic activity of the prepared catalyst. Meanwhile, according to the determination of intermediate products and radical trapping experiment, the synergistic mechanism between photocatalysis and ultrasonic irradiation will be revealed. This project could provide data base for the practical application of BiVO4/Pt/TiO2 based on Z-scheme in water treatment and therefore favor the development of pollution control technology.

本项目拟制备基于Z体系的BiVO4/Pt/TiO2复合催化剂，该催化剂可利用宽禁带半导体TiO2和窄禁带半导体BiVO4的同时激发，实现对太阳光紫外-可见部分的全响应，提高催化剂的光能利用率，还可利用不同半导体材料间的异质结结构，有效地抑制电子空穴对的复合，提高催化过程的量子效率。采用现代化的表征手段对催化剂的形貌结构、光学吸收特性、表面状态等进行研究。以水体中常见的染料、环境激素和抗生素为目标污染物，对BiVO4/Pt/TiO2的光催化、超声/光催化氧化活性进行研究。同时，通过对降解过程中间产物的测定及自由基捕获实验，揭示BiVO4/Pt/TiO2光催化与超声耦合降解污染物的协同机理和增强机制。本研究可为基于Z体系的BiVO4/Pt/TiO2复合催化剂在水处理中的实际应用提供基础数据，对污染控制技术的发展具有重要意义。

本文采用液相沉积法、光还原法和金属有机物分解法，设计制备了基于Z体系的、具有紫外-可见光响应的BiVO4-Pt-TiO2三元复合膜催化剂。模拟太阳光下，以RhB、BPA及2-CP为目标物，考察复合催化剂的光催化活性，并研究了光还原法沉积Pt前驱体氯铂酸的浓度、BiVO4镀膜次数、污染物初始浓度、反应溶液pH值对光催化降解活性的影响，确定BiVO4-Pt-TiO2三元复合催化剂的最佳降解条件，并测试复合催化剂的稳定性能。BiVO4-Pt-TiO2三元复合材料具有最高的光催化活性，这是由于TiO2、BiVO4和Pt之间的协同作用。首先，BiVO4和TiO2可同时被光激发，催化剂的光能利用效率提高，易于产生更多的光生电子和空穴。 其次，TiO2和Pt之间、BiVO4和Pt之间形成的肖特基结均可以抑制光生电子和空穴的复合，提高催化剂的量子效率。在BPA的降解过程中，通过自由基捕获证实•OH在光催化过程中的关键作用。.随着环境保护标准的不断提高，多种高级氧化技术（AOPs）联合作用于污染物的处理方法受到广泛关注。超声/光催化这一新型复合水处理技术是近些年发展起来的，能够通过超声产生的空化作用及自由基效应来达到使光催化剂的催化性能强化的目的，从而实现对污染物的高效降解。. 本研究以BiVO4/Pt为光催化剂，采用高级氧化技术-超声与光催化联合的方法对罗丹明B进行降解研究，并探讨了Pt的掺杂量、催化剂添加量、罗丹明B初始浓度、反应溶液pH值、超声功率对催化降解活性的影响，最终确定BiVO4/Pt二元催化剂在超声/光催化作用下的最佳降解条件。研究发现，超声对光催化的协同因子为2.83，证明了超声联合光催化降解罗丹明B的强协同效应。分析原因：超声所产生的空化作用、自由基效应及机械效应，可以分散催化剂，增加活性位点，使光催化剂的活性最大化，同时加强有机污染物在水溶液中与光催化剂表面的传质作用，产生更多的强氧化性基团，促进对有机物的破坏降解。并在最优条件下进行了罗丹明B的矿化研究、催化剂的稳定性测定及自由基捕获实验，最终证明•O2-与h+在超声/光催化反应过程中起主导作用。