关键词：
铋基光催化剂
金属掺杂
异质结构
苯甲醇的选择性氧化
胺化反应
摘要：
如何解决能源短缺和环境污染问题是当今社会的两大重要议题。半导体光催化技术是一种可将太阳能转化为化学能的新技术,该技术具有条件温和、绿色环保和可持续利用等特点,是解决当前能源和环境问题的一种有效途径。然而,通常的半导体光催化剂由于其对可见光的利用率差、光生电子与空穴不易分离,导致光催化活性较低。因此,寻找和构建催化性能优良的光催化剂是十分必要的。本文以具有良好催化潜力的铋基半导体光催化剂作为研究对象,通过对催化剂采取形貌的调控、金属掺杂以及异质结构的构建来提高其在光催化有机合成反应中的催化活性。具体的研究内容包括以下几个方面:（1）制备具有不同形貌和晶体结构的BiVO4光催化剂。以Bi（NO3）3·5H2O和NH4VO3为前驱体,选取了三种BiVO4的制备方法（包括:溶胶-凝胶法、硝酸法、N,N-二甲基甲酰胺法）,制得具有类叶状、微球状和块状结构的BiVO4。对比在制备过程中反应液的pH值、反应温度和反应时间对BiVO4催化剂的影响。采用多种表征方法分析所制备的不同BiVO4催化剂的形貌特征、晶体结构、对可见光的吸收能力和比表面积等信息。测定不同BiVO4催化剂在苯甲醇的选择性氧化反应中的催化性能,探索了催化剂的形貌、晶体结构与光催化性能之间的关系。实验结果表明,采用N,N-二甲基甲酰胺法制备的具有单斜白钨矿相的BiVO4（ms-BiVO4）比表面积最大,该方法所制备的ms-BiVO4在苯甲醇选择性氧化为苯甲醛反应中的转化率最佳。本研究为制备理想的光催化剂载体材料提供一定的思路和方法。（2）制备Ag/Pd/ms-BiVO4纳米微球光催化剂。以硝酸法制备的ms-BiVO4为载体,采用NaBH4还原法制得一系列纳米微球复合光催化剂。实验考察了以不同负载顺序制备的三种Ag-Pd双金属复合光催化剂的催化性能,包括先负载Pd后负载Ag的Ag/Pd/ms-BiVO4、先负载Ag后负载Pd的Pd/Ag/ms-BiVO4和Ag、Pd同时负载的Ag-Pd/ms-BiVO4。同时,考察了金属的负载量和负载比对催化剂催化性能的影响。结果表明,在苯甲醇选择性氧化反应中,Ag/Pd/ms-BiVO4（2wt%,2:1）的光催化性能最佳,且远高于纯ms-BiVO4。实验探究了光催化剂Ag/Pd/ms-BiVO4（2wt%,2:1）在13种醇类衍生物的选择性氧化反应中的催化性能。催化性能的提高是基于Pd较强的吸氢能力和Ag的表面等离子体共振效应。另外,Ag比Pd的电负性强,当Ag负载到Pd的表面时,电子从Pd转移至Ag降低了催化剂光生电子与空穴的复合率。结合催化剂活性物种的捕获实验,提出了反应进行可能的机理。（3）制备Z-scheme异质结构的x-Bi2WO6/g-C3N4光催化剂。分别采用水热法和高温煅烧法制备了花状微球Bi2WO6和大块g-C3N4。通过超声剥离与机械搅拌相结合的方法,制得一系列具有Z-scheme异质结构的复合光催化剂x-Bi2WO6/g-C3N4（x为Bi2WO6的质量比）。在苯甲醇与苯胺合成亚胺的反应中,以30%-Bi2WO6/g-C3N4作为催化剂时光催化效果最佳,反应的转化率达到87.6%,远高于纯Bi2WO6和纯g-C3N4作为催化剂时的转化率。SEM和TEM表征结果显示,超声剥离后g-C3N4的径向尺寸明显减小,形成的复合光催化剂分散均匀并保持了Bi2WO6花状微球的结构;BET表征结果显示,超声剥离后g-C3N4的比表面积增加了约10倍。循环实验证实了催化剂的光稳定性。在可见光照射下,苯甲醇与苯胺偶联反应的活化能值降低了29.8kJ·mol-1。催化剂活性物种的捕获实验表明,该反应是由h+、e-和·O2-之间的协同作用完成的。（4）制备Bi基二元异质结构x-Bi2O2CO3/Bi2WO6光催化剂。采用水热法制备了两种Bi基氧化物半导体光催化剂Bi2O2CO3和Bi2WO6。通过机械搅拌复合法制得不同复合比的x-Bi2O2CO3/Bi2WO6（x为Bi2O2CO3的质量比）光催化剂。表征结果表明,Bi2O2CO3和Bi2WO6具有类似的二维薄片结构,确保了两种材料形成异质结构的可能性。同时,异质结构的形成改善了Bi2O2CO3在可见光区的吸光能力。在苯甲醇选择性氧化反应中,x-Bi2O2CO3/Bi2WO6光催化剂表现出优异的催化性能,其中以30%-Bi2O2CO3/Bi2WO6作为催化剂时反应的转化率最佳。捕获实验结果显示,该反应主要由h+、e-和·O2-之间的协同作用完成的,并探讨了反应可能的光催化机理。
欢迎来到三峡大学图书馆！
