摘 要

化石能源等有机物的不合理使用对人类生存环境产生了不可忽视的污染，我们在促进化石能源的合理使用的同时，也必然地对有效降解有机污染物，清洁环境进行广泛深刻的研究。太阳能光催化技术利用太阳光将有机污染物分解成水和二氧化碳，既能充分利用太阳能又可以解决环境污染问题。其中，合成出一种高效、无毒、可循环的可见光催化剂成为发展太阳能光催化技术的关键。

本论文采用水热法合成出含有高暴露{010}和{110}晶面的单斜晶相BiVO₄纳米片作为基体材料，然后构建以BiVO₄为氧化位点和以Pt为还原位点的Pt/BiVO₄光催化剂。通过光沉积的方法将Pt纳米颗粒沉积在BiVO₄纳米片的{010}晶面上，在光沉积过程中加入PVP改变Pt的形貌。研究内容包括：①对PVP的最佳加入时间、最佳加入量进行探索，合成出具有最高催化活性的Pt/BiVO₄光催化剂；②以甲基橙模拟有机污染物，对光催化剂降解有机物进行性能测试，并测试其性能的稳定性和完成其降解机理的探索；③对合成的光催化剂进行相应的表征并分析，方法如FESEM、XRD、UV-Vis等；④提出合理的降解机理。

结果表明：①在光沉积10 min后加入PVP时有最好的催化降解甲基橙活性和较好的循环降解苯酚稳定性；②合成了Pt/BiVO₄光催化剂，Pt负载在BiVO₄的{010}面，没有对BiVO₄的结构改变。③Pt作为电子助剂有效转移了光生电子，而空穴则转移至{110}面上，使得电子和空穴有效分离，大大提高了Pt/BiVO₄光催化剂的光催化降解活性。

本文合成的Pt/BiVO₄光催化剂体系，借助不同形貌的Pt沉积在光催化剂表面对光催化性能产生影响，在光沉积过程中改变Pt的形貌，观察到不同形貌的Pt沉积BiVO₄具有不同光催化性能。实验过程所用思想和方法对后续开发出实用、高效、稳定的光催化体系具有一定的指导作用。

关键词：钒酸铋；铂；光催化剂；形貌控制；降解

Abstract

The unreasonable use of fossil energy and other organic has produced a terrible pollution on the human environment. While we promote the level of the rational use of fossil fuels, the effective degradation of organic pollutants to clean environment should be study extensively and profoundly. Solar photocatalytic technology ,which decompose organic pollutants into water and carbon dioxide in the use of sunlight, can not only make full use of solar energy but solve environmental pollution problems. Among them, the synthesis of a highly efficient, non-toxic, recyclable visible light catalyst has become the key to the development of solar photovoltaic technology.

In this paper, the monoclinic phase BiVO₄ nanosheets containing high exposure {010} and {110} facets were synthesized by hydrothermal method. Then, We build the Pt/ BiVO₄ photocatalyst with BiVO₄ as the oxidation site and Pt as the reducation site. The Pt nanoparticles were deposited on the {010} facet of BiVO₄ nanosheets by photopolymerization, and the morphology of Pt was changed by adding PVP during the photoprecipitation process. The research contents include: (1) explore the best time to add PVP and the best amount of PVP added to synthesis Pt/BiVO₄ photocatalyst with highest catalytic activity; (2) methyl orange simulating organic pollutants, the photocatalytic degradation of organic matter performance and the stability of the photocatalyst and the degradation mechanism were investigated. (3) The synthesized photocatalysts were characterized and analyzed, such as by FESEM, XRD, UV-Vis and so on. (4) A reasonable degradation mechanism was proposed.

The results showed that: (1) the best catalytic degradation of methyl orange activity and the stability of the biodegradation of phenol were obtained adding PVP after photopolymerization during 10 min. (2) The Pt/BiVO₄ photocatalyst was synthesized and while Pt load in the {010} facet of BiVO₄ , there is no structural change to BiVO₄. (3) The photocatalytic degradation activity of Pt / BiVO₄ photocatalyst was greatly improved by the transfer of electrons to the Pt nanopartials and of holes to the {110} facet of BiVO₄.

In this paper, the Pt/BiVO₄ photocatalyst system was synthesed by the fact of different morphologies of Pt can change the photocatalytic performance on the surface of the photocatalyst. The morphology of the Pt was changed during the photopolymerization process and it was observed that the Pt/BiVO₄ with different morphologies of Pt had different photocatalytic performance. The ideas and methods used have a certain guiding effect on the subsequent development of practical, efficient and stable photocatalytic system.

Key Words： bismuth vanadate; platinum; photocatalyst; morphology control; degradation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 太阳能 1

1.3 光催化技术 1

1.4 光催化基本原理 2

1.5 光催化材料 4

1.5.1 光催化材料的种类 4

1.5.2 光催化材料的构-效关系 4

1.5.3 光催化材料的改性 5

1.6 选题的目的与意义 6

第2章 实验内容部分 8

2.1 引言 8

2.2 实验试剂与仪器 9

2.2.1 实验试剂 9

2.2.2 实验仪器 9

2.3 材料的合成 10

2.3.1 BiVO₄纳米片的制备 10

2.3.2 Pt/BiVO₄的制备 10

2.4 材料的性能测试 11

2.4.1 光催化降解性能测试 11

2.4.2 催化剂循环性能测试 12

2.5 样品表征及性能测试 12

2.6 本章小结 12

第3章 Pt/BiVO₄催化剂的性能与表征分析 13

3.1 引言 13

3.2 Pt/BiVO₄降解性能分析 13

3.2.1 不同PVP加入时间制得的Pt/BiVO₄光催化剂的降解性能分析 13

3.2.2 光沉积后0 min时不同PVP加入量制备的Pt/BiVO₄的降解性能分析 15

3.2.3 光沉积10 min后加入PVP制备的Pt/BiVO₄催化剂循环降解性能分析 16

3.3 Pt/BiVO₄光催化剂的表征及分析 17

3.3.1 FESEM 分析 17

3.3.2 UV-Vis 分析 18

3.3.3 XRD 分析 19

第4章 总结 20

4.1 结果与讨论 20

4.2 展望 20

参考文献 21

致 谢 23

第1章 绪论

社会进步和经济发展离不开能源的开发和利用，但是同时，世界范围内的环境问题日益严重。近年来，具有很大发展前景，又能同时解决能源与环境问题的光催化技术备受世界关注。

1.1 引言

第二次工业革命以来，人类开始对化石能源进行大规模的开发和使用，由此人类社会得到了极大的发展，人们生活水平得到极大的提高。但是化石能源属于不可再生能源，在地球上的储存量有限，随着时间的推移和化石能源开发规模的增大，化石能源日益枯竭，如今，人类面临着能源危机。此外，由于科技水平的限制和管理的不足，化石能源利用过程中所产生的有机物对人类生存环境造成了不可忽视的污染，对人们的日常生活，社会的可持续发展和国家的繁荣富强产生极大影响。能源危机和环境污染成了当今世界必须面对的难题。

1.2 太阳能

太阳能取之不尽，用之不竭，而且其利用过程不会产生任何污染物，是一种具有广阔前景的理想能源，近些年来，受到广泛的重视。建立高效的太阳能转换系统有望代替化石能源，同时解决能源危机和有机物污染两大难题。过去限于科技发展水平，人类对太阳能的利用非常有限。而如今，人类面临着能源危机和环境污染，世界各国开始重视和加强对太阳能的开发和利用。

1.3 光催化技术

光催化技术作为解决能源和环境问题的技术之一，极具发展潜力。光催化指的是在光的照射下，光催化剂吸收光子后，引起化学反应或改变化学反应的反应速率。光催化过程中，光催化剂吸收光子形成自由电子和空穴，自由电子和空穴可以分别与吸附在光催化剂表面的物质作用，引起或加快氧化还原反应，如水的分解、有机物的降解等。由于光催化能将有机污染物降解为CO₂和H₂O或者将水分解为H₂和O₂，光催化技术不仅成为一种具有广阔前景的环境治理技术，用于降解各种有机污染物，还可以利用太阳光将水分解得到无污染高热值的氢能，以应对能源危机^[1][2]。因此，光催化技术得到了广泛持续的研究，近年来，取得了较大的进展^[3]。

1972年，日本科学家Fujishima和Honda^[4]首次发现当光照射在一个电化学装置上的n型半导体TiO₂电极上时，水能够发生分解，得到O₂和H₂。这一发现引起了人们的关注，并对此进行了进一步的研究。此后，由于其在新能源开发和环境保护和改善方面的广阔应用前景，研究者们对光催化的基本过程和光催化效率的提高展开了大量的研究。