BiOCl/g-C3N4纳米复合物的合成及其光催化性能研究开题报告

 2022-02-28 21:18:11

1. 研究目的与意义

环境污染问题是21世纪人类面临的重大挑战之一。随着工业的快速发展，化肥、石化、制药、食品及垃圾填埋场等产生大量含高浓度氨氮的废水排入河流中，导致部分湖泊出现了水体富营养化，刺激藻类等水生植物过度生长，出现赤潮等污染现象。日趋加剧的水环境污染，已对人类的生存和发展构成严重威胁，成为人类健康、社会可持续发展的重大障碍[1-3]。因此，水环境污染治理新技术以及新材料的研发和应用，是当今各国政府投资和研究的热点与重点，对于实现人类社会的可持续发展具有重要意义[4]。

常用于废水处理的方法主要有生物法，电化学氧化和物化技术等。常规有机污染物处理方法都不同程度地存在各自缺点：生物法对于含有难生化降解有机污染物废水的处理，往往难以满足净化要求。化学氧化法虽然能够将难生化降解有机污染物直接矿化或通过氧化提高有机污染物的可生化性，然而通常使用的臭氧、H2O2、氯系、KMnO4等氧化剂具有氧化能力不够强、有选择性等缺点，因而不能够有效地将种类繁多的有机污染物彻底的氧化降解。物化技术的缺点是去除效率低、运转费用高，并可能会带来二次污染；电催化氧化法需要外加电场作用、湿式催化氧化法需要在一定的温度和压力条件下进行，这在一定程度上也制约了其在有机污染物处理中的发展和应用[6,7]。因此，氧化能力强、降解速率快、无二次污染、反应条件温和、成本低、易操作、有望利用太阳能的光催化技术为有机污染物治理提供了一条全新的绿色途径。光催化技术具有反应时间短，反应过程简易、对污染物矿化程度和使用能源为太阳能等优势[8]。

半导体光催化技术不仅能够有效清除水和空气中的各种有机污染物（烷烃、酚类、芳香化合物及相应卤代物、染料、杀虫剂等），而且能够将无机污染物转化为无毒形式，此外，光催化技术还可以用于除菌，杀死癌细胞等。如今，光催化技术己经发展成为一门新兴的交叉学科。广泛而深入的研究表明：大量的半导体材料具有光催化作用、光催化机理也逐步被揭示、数百种主要的有机或无机污染物都可用光催化氧化的方法分解。因此，光催化技术为土壤、水和大气的有机物污染治理提供了一条全新的、充满希望的途径。利用光催化技术可将大多数有害有机物、污染物臭气、病毒等氧化降解成无毒物质，如CO2、H2O及各种无机离子等，从而实现无害化；同时，光催化过程采用半导体材料作为光催化剂，在常温常压下进行，并有望利用太阳光作光源，从而大大降低了污染物处理成本[9]。

目前应用最广泛的光催化材料是TiO2及其复合物,但是其成本较高且不易回收利用。相比之下, BiOCl具有与TiO2相似的带隙,安全无毒且成本更低,甚至在降解某些污染物时表现出比TiO2更高的光催化效率,因此,BiOCl成为光催化领域一个更好的选择。自从19世纪早期发现BiOCl以来，关于BiOCl的实验研究和理论计算一直处于活跃状态之中。BiOCl为白色、规则暴露晶面的磁性半导体材料，作为一种新型的半导体光催化剂，BiOCl 表现出了优良的光催化降解有机污染物和无机重金属离子的反应活性，但是其存在着能带隙较大、对太阳能利用率低、单体量子效率低等缺点，因此，如何有效解决上述关键科学问题，提高BiOCl可见光催化活性与效率以及重复利用性和稳定性，是早日实现其大规模工业应用的关键[10-11]。

非金属有机催化剂具有价格低廉、容易制备、易于高分子固载等一系列优点，所以越来越受到各国学者的重视。新型的有机聚合物半导体光催化剂——类石墨氮化碳（g-C3N4），g-C3N4独特的结构决定了其独特的性质，并赋予了其在光催化领域的广泛应用[12]。目前，g-C3N4主要应用于光催化污染物分散、光解水制氧、光催化有机合成和光催化氧化还原等。但是由于其电子空穴复合较快、比表面积小等原因，g-C3N4的光催化性能不是很理想，目前已开发出三种主要改进方法，即物理复合改性、化学掺杂改性和微观结构调整。近年来相关研究的热点在于将g-C3N4与金属氧化物复合物作为光催化剂，提高其光催化性能，并应用于环境问题的整治和能量转换。此外,g-C3N4特殊的结构可调节复合材料的光吸收范围[13]。因此,将BiOCl和g-C3N4有机结合起来,采取较为简单的方法制备出更为高效和成本低廉的复合光催化剂,在光催化降解有机污染物领域具有重大意义。

2. 研究内容和预期目标

将BiOCl和g-C3N4有机结合起来,采取较为简单的方法制备出更为高效和成本低廉的复合光催化剂,在光催化降解有机污染物领域具有重大意义。具体研究内容如下：

1）查阅BiOCl/g-C3N4复合催化剂的制备文献。

2）参照文献的方法研究BiOCl/g-C3N4复合催化剂的制备及光催化降解有机污染物的降解规律。

3）用光谱学（紫外-可见光谱）进行表征。

4）研究光催化反应效率和BiOCl晶面之间的内在联系。

5）研究BiOCl不同晶面对光降解性能的影响，确定光催化性能。

6）利用半导体材料作为光催化剂来降解有机污染物，解决水污染问题。

7）整理实验数据。

实验目标：成功制备出具有良好光催化降解能力的BiOCl/g-C3N4纳米复合材料。

3. 研究的方法与步骤

1.纳米氯氧化铋的制备

将一定质量的Bi(NO3)35H2O 和 KCl 加入40 ml去离子水中，室温下搅拌溶解后加入配置好的NaOH溶液调整pH值到6.0。

剧烈搅拌混合溶液1h后，转移入高压反应釜中，放入160℃烘箱中加热24 h，过滤、水洗、醇洗、50 ℃烘干，即得到白色的BiOCl粉末。

2.氮化碳的制备

取适量二氰二胺置于坩埚中，转移到马弗炉中高温煅烧，升温至600℃保持4h，即得到氮化碳。

3.BiOCl-g-C3N4复合催化剂的制备

将酸化处理后的g-C3N4加入配置好的Bin(Tu)xCl3n/Bi(NO3)35H2O前驱液中，剧烈搅拌混合溶液1h后，转移入高压反应釜中，放入160℃烘箱中加热24h，过滤、水洗、醇洗、50℃烘干，即得到复合催化剂。

4.光催化降解甲基橙实验

取40mL配制好的甲基橙溶液和一定量的复合催化剂放置于50mL烧杯中，磁力搅拌4h，使之达到吸附平衡。

将达到吸附平衡的复合光催化剂甲基橙溶液置于汞灯正下方，开启光源光照，每隔 30分钟测定溶液的紫外可见吸收光谱。甲基橙最大有效吸收波长为465nm，通过对最大吸收波长处测试值的变化并利用公式计算光催化降解效率。

5.光催化降解氨氮试验

氧化催化法

量取一定体积一定浓度的双氧水于50ml比色管中，加入复合催化剂，以紫外光为光源进行光催化脱色试验，间隔时间取样，分析测定有机溶液吸光度。同时进行加负载型催化剂不光照（暗室）和不加催化剂光照的空白实验。

RB脱色率ηt=(A0-A)/A0*100%

ηt----t时刻RB脱色率

A0----起始时刻RB吸光度

A----t时刻RB吸光度

4. 参考文献

[1] Zhou Y, Xiao B, Liu S Q, et al. Photo-Fenton degradation of ammonia via a manganese–iron double-active component catalyst of graphene–manganese ferrite under visible light[J]. Chemical Engineering Journal, 2016, 283:266-275.

[2]Altomare M, Chiarello G L, Costa A, et al. Photocatalytic abatement of ammonia in nitrogen-containing effluents[J]. Chemical Engineering Journal, 2012, 191: 394-401.

[3]Shavisi Y, Sharifnia S, Hosseini S N, et al. Application of TiO2/perlite photocatalysis for degradation of ammonia in wastewater[J]. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 2014, 20(1): 278-283.

[4]林启志等. g-C3N4纳米棒/TiO2/Ni/CNTs复合物的制备及其光催化性能. 华东理工大学学报自然科学版 42.4(2016):467-473.

[5]Kominami H, Nishimune H, Ohta Y, et al. Photocatalytic hydrogen formation from ammonia and methyl amine in an aqueous suspension of metal-loaded titanium (IV) oxide particles[J]. Applied Catalysis B: Environmental, 2012, 111: 297-302.

[6]张志贝等.g-C3N4/Bi2S3复合物的制备MO[J].环境科学,2016,37(6):2393-2400.

[7]XIAO B, LIU S Q. Photocatalytic Oxidation of Ammonia via an Activated Carbon-Nickel Ferrite Hybrid Catalyst under Visible Light Irradiation[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2014, 30(9):1697-1705.

[8]齐雪梅等.高效可见光催化剂g-C3N4的制备及其催化性能研究[J].上海电力学院学报,2016,32(4):322-326.

[9]阮林伟等.g-C3N4碳位掺杂电学及光学性质分析简[J].物理化学报，2014,30(1):43-52

[10]Kolinko P A, Kozlov D V. Products distribution during the gas phase photocatalytic oxidation of ammonia over the various titania based photocatalysts[J]. Applied Catalysis B: Environmental, 2009, 90(1): 126-131.

[11]张芬等RGO/C3N4复合材料的制备及可见光催化性能[J].无机化学学报,2014,30(4):821-827.

[12]M Altomare, MV Dozzi, GL Chiarello, A Di Paola. High activity of brookite TiO2nano particles in the photocatalytic abatement of ammonia in water. Catalysis Today, 2015, 252,184–189

[13]胡剑杨,朱国丽.石墨相氮化碳的制备条件优化用以提高其在可见光下的光催化活性[J].化学物理学报,2016,29(2):234-240

5. 计划与进度安排

(1) 2022-02-26～2022-03-20 查阅文献资料，制定实验方案，完成开题报告。

(2) 2022-03-21～2022-04-14 熟悉毕业设计研究的发展，掌握基本实验操作，并开始实验。

(3) 2022-04-15～2022-04-20 总结前期工作，完成中期汇报。

(4) 2022-04-21～2022-05-06 改善实验方案，优化实验。

(5) 2022-06-01～2022-06-10 毕业论文的撰写。

剩余内容已隐藏，您需要先支付 10元 才能查看该篇文章全部内容！立即支付

发小红书推广免费获取该资料资格。点击链接进入获取推广文案即可： Ai一键组稿 | 降AI率 | 降重复率 | 论文一键排版

您可能感兴趣的文章