BiVO4/RGO复合材料的制备及其光催化降解橙黄Ⅱ染料废水的研究

摘要

印染废水是目前研究者们公认的难降解废水之一。一旦排入水体，将会对水体环境造成严重污染，已经成为威胁我国水环境安全的因素之一。目前，治理印染废水问题迫在眉睫，采用传统的水处理技术效果很难达到满意的效果，找到一种有效处理印染废水的方法已成为亟待解决的一大难题。光催化技术作为高级氧化技术的一种，具有反应迅速，处理效率高，对环境友好等优点。与其它高级氧化技术相比，光催化技术稳定性高，且反应过程比较温和，被认为是最具应用前景的水处理技术。 作为一种常见的光催化剂，钒酸铋（BiVO4）与其他光催化剂相比，具有较窄的禁带宽度，在可见光照射下有着较好的光催化活性，因此受到广泛关注。然而在实际应用中，存在吸附能力差、光生电子和空穴之间比较容易复合等不足，这严重限制了BiVO4光催化活性的提升和其在光催化领域的应用。石墨烯材料有着优异的光电性能和较大的比表面积，利用石墨烯修饰BiVO4被认为是解决BiVO4缺陷的一种行之有效的方法。基于此，本研究采用水热合成法制备BiVO4/RGO（即钒酸铋/还原氧化石墨烯）复合材料，以橙黄Ⅱ（AO7）溶液模拟印染废水，围绕复合材料的制备、表征、光催化性能和可循环利用性展开研究，并对其光催化机理进行了分析。具体的研究成果如下： 1.以五水合硝酸铋、偏钒酸铵和石墨粉为原料，使用水热合成法成功制备了BiVO4/RGO复合材料。利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射、紫外-可见漫反射光谱、傅里叶变换红外光谱、X射线光电子能谱等表征手段对BiVO4和BiVO4/RGO复合材料的形貌特征、晶型结构、光学特性、化学基团和元素组成等进行了分析。结果表明：采用水热合成法制备的BiVO4是单斜晶型BiVO4，RGO的掺杂没有对BiVO4的晶型结构造成影响，但改变了BiVO4的电子结构，缩小禁带宽度，拓宽了对光的响应范围，有助于增强其光催化性能。 2.通过BiVO4/RGO复合材料光催化降解AO7评价复合材料的光催化活性。考察不同制备条件和反应条件对光催化活性的影响，研究结果表明：BiVO4/RGO复合材料的光催化活性显著优于单独BiVO4。在水热温度180?C、水热时间6h、GO掺杂量为16.7%、pH=9等制备条件下，所制备的复合材料具有最高的光催化活性。催化剂的投加量影响着光催化效果，去除率呈现先升高后降低的趋势。此外，溶液初始浓度也影响着光催化效果。在较低浓度下，复合材料表现出更好的光催化活性。选择光催化活性最好的BiVO4/RGO复合材料进行三次重复利用实验，发现随着循环次数的增加，AO7的降解率也随之减少，但经第三次重复利用实验后降解率仍可达50%以上。 3.通过三维荧光光谱、紫外-可见光谱、化学需氧量变化分析以及一系列自由基捕获实验，分析BiVO4/RGO复合材料光催化降解AO7的机理。具体为：在光照下，BiVO4内激发出电子-空穴对，其中空穴（h+）可迁移至BiVO4表面，并在BiVO4表面不断富集，从而直接氧化吸附在光催化剂表面的AO7分子。此外，h+还可以与H2O和OH-等反应形成具有强氧化性的羟基自由基（·OH），间接氧化AO7分子。同时，电子-空穴对中的电子（e-）在肖特基势垒作用下，可以从BiVO4的导带快速转移、富集到RGO的表面并被溶解氧O2消耗，产生超氧自由基（·O2-），·O2-可以直接氧化AO7分子，也可以与H2O和H+反应形成·OH，将AO7氧化降解。其中·O2-自由基在BiVO4/RGO复合材料光催化降解AO7中起最主要作用。AO7染料分子在光催化降解过程中偶氮键会出现断裂，使AO7分子中的苯环数量减少，并分解为萘环类化合物和单环芳香化合物。随着光催化过程的继续进行，发色基团和类苯环结构不断遭到破坏，生成一系列中间体有机物，随后逐步被矿化成CO2和H2O。 总之，采用水热合成法制备出了具有卓越光催化活性的BiVO4/RGO复合材料，通过表征手段及光催化活性实验证明其对AO7溶液有着良好的去除效果。此外，还探讨了制备条件和反应条件对光催化活性的影响，并使用一系列测试手段探究了BiVO4/RGO复合材料光催化降解AO7染料废水的机理。

目录

第一章 绪论

1.1 印染废水概况

1.1.1 印染废水的污染现状

1.1.2 印染废水的特点和危害

1.2.1 物理法

1.2.2 化学法

1.2.3 生物法

1.2.4 高级氧化技术

1.3.1 BiVO4 的基本性质

1.3.2 BiVO4的光催化的机理

1.3.3 BiVO4光催化处理印染废水的研究进展

1.4.1 研究思路

1.4.2 研究内容

第二章 BiVO4/RGO复合材料的制备、表征和光催化活性测试方法

2.1 引言

2.2.1 实验试剂

2.2.2 实验仪器

2.3.1 GO的制备

2.3.2 BiVO4的制备

2.3.3 BiVO4/RGO复合材料的制备

2.4 BiVO4/RGO复合材料的表征方法

2.4.1 SEM表征

2.4.2 TEM表征

2.4.3 XRD表征

2.4.4 UV-Vis DRS表征

2.4.5 FTIR表征

2.4.6 XPS表征

2.5 BiVO4/RGO复合材料的光催化活性测试

2.6 本章小结

第三章 BiVO4/RGO复合材料的表征结果分析和光催化活性研究

3.1 引言

3.2.1 SEM和TEM分析

3.2.2 XRD分析

3.2.3 UV-Vis DRS分析

3.2.4 FTIR分析

3.2.5 XPS分析

3.3.1 水热温度对光催化活性的影响

3.3.2 水热时间对光催化活性的影响

3.3.3 GO掺杂量对光催化活性的影响

3.3.4 前驱液pH对光催化活性的影响

3.3.5 催化剂投加量对光催化活性的影响

3.3.6 溶液初始浓度对光催化活性的影响

3.4 BiVO4/RGO复合材料的重复性研究

3.5 本章小结

第四章 BiVO4/RGO复合材料的光催化机理分析

4.1 引言

4.2.1 三维荧光光谱分析

4.2.2 紫外-可见光谱分析

4.2.3 化学需氧量分析

4.3.1 自由基捕获实验

4.3.2 光催化降解机理分析

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

创新点

参考文献

致谢

作者简介