基本信息
- 项目名称：
- 可见光激发下单斜烧绿石型Pb2Nb2O7对亚甲基蓝的光催化脱色研究
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 伴随工业的高速发展，印染废水、生活污水和纺织废水等给环境带来极大的灾难。而光催化作为一种绿色高效的环保技术，在污水的治理方面有着巨大潜力。但是，传统光催化材料(如TiO2)在实际应用过程中存在一些不足，这就要求材料工作者们研制出一种综合性能更为优良可见光激发光催化材料。多元金属氧化物可见光光催化材料作为其中很有前途的一种，倍受人们关注。比如烧绿石型可见光催化材料在近几年来就得到了广泛研究。在这样的背景下本科研小组在老师指导下合成了单斜烧绿石型Pb2Nb2O7 ，对其光催化性能研究发现它对MB（亚甲基蓝）溶液有着很好的可见光光催化效果，有一定的实用价值。并通过对样品烧结温度和溶液PH的调控使得光催化性能达到了最佳。再通过一系列现代测试方法对合成的光催化材料进行了表征。相关研究成果已撰写论文《Photocatalytic decolorization of methylene blue over monoclinic pyrochlore-type Pb2Nb2O7 under visible light irradiation》并在国际期刊在国际期刊《Journal of Alloys and Compounds》（合金与化合物杂志，SCI，EI）正式发表，影响因子：1.455。相关论文、实验设计过程及实验结果通过中国科学院金展鹏院士审阅并获得推荐。
- 详细介绍：
- 伴随工业的高速发展，印染废水、生活污水和纺织废水等给环境带来极大的灾难。而光催化作为一种绿色高效的环保技术，在污水的治理方面有着巨大潜力。但是，传统光催化材料(如TiO2)在实际应用过程中存在一些不足如： (1)传统的光催化材料多为宽禁带的半导体氧化物，光谱响应范围窄，如纯TiO2 (锐钛矿)的禁带宽度为3.2 eV，光谱的吸收阀值是387.5 nm，只能利用占太阳频谱范围3%的紫外光部分，而占太阳光谱能量44%的可见光和占太阳光谱能量53%的红外线都得不到有效利用。 (2) 量子效率偏低，传统宽禁带光催化材料(如TiO2)光生电子-空穴对的再复合率高，光催化性能不突出。较低的光量子效率是限制光催化技术应用化和工业化的主要原因。 (3) 催化剂选择吸附性能差，这使得光催化反应的速率减慢和选择性下降。 (4) 催化剂光催化性能不稳定，常常容易失活，因而在一定程度上限制了光催化技术的工业化应用。 本科研小组针对传统TiO2光催化材料的诸多缺点，结合国内外研究热点和空缺，采用固相反应法合成了单斜烧绿石型Pb2Nb2O7光催化材料，用紫外-可见光分光度计测得它的光吸收边在450 nm附近，估算得到的禁带宽度为2.7556 eV，具有较强的可见光吸收能力，也就是说能更充分的利用光能。对其光催化性能研究发现它对MB（亚甲基蓝）溶液有着很好的可见光光催化效果，有一定的实用价值。用XRD、SEM、BET等测试技术进行表征，研究了Pb2Nb2O7晶体结构，形貌特征，比表面等内容。同时发现，在制备样品过程中焙烧温度对最后制品的光催化活性影响巨大，一方面焙烧温度越高制品结晶性越好，但同时随着焙烧温度升高晶粒尺寸增大比表面相应减小又不利于对有机染料污染物吸附和分解反应。因此样品最高的光催化活性是由减小的比表面积和增高的结晶性的综合效应作用的结果。本科研小组通过实验确定了最适合焙烧温度（800℃），在以上两点间寻找到了一个很好的结合点。溶液PH值也是光催化性能的重要影响因素,研究发现光催化脱色效率随着pH值的增加而增加。MB的可见光催化脱色效率对pH值的依赖性的原因可解释如下：① pH值影响光催化反应主要归因于光催化材料的表面电荷性质，因为MB是一种阳离子染料，在更高pH值条件下表面上带负电是有利于对MB的吸附。② pH值越高就能提供更高的氢氧根离子，它们可以与空穴(h+) 反应形成羟基自由基(•OH)，从而增强了MB的可见光催化脱色效率。但是，在本工作中pH值作用的精确机理还不很清楚，仍需进行广泛的研究。总的来说本科研小组制备的单斜烧绿石型Pb2Nb2O7光催化材料在某些方面克服了传统光催化材料的不足，具有一定的创新性和实用性，且国内外文献中尚未见相关的研究报道。 The Pb2Nb2O7 photocatalysts were prepared by a solid-state reaction method. The UV–vis absorption spectrum indicated that the absorption edge of Pb2Nb2O7 was at about 450 nm. The photocatalytic activity of Pb2Nb2O7 for degrading methylene blue under visible light irradiation was evaluated. It was found that the prepared Pb2Nb2O7 photocatalyst calcined at 1073K had the highest photocatalytic activity at pH 11.52 under visible light irradiation. In addition, the effects of pH value on photocatalytic activity were also presented. The decolorization efficiency increased with the increase of pH value. All these indicated that Pb2Nb2O7photocatalyst was a potential candidate for the practical application in photocatalytic decolorization of organic contaminants.
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的： 本小组结合国内外空缺对单斜烧绿石Pb2Nb2O7可见光光催化材料进行了研究。力求通过研究工艺参数，光催化性能的影响因素及其相关基理，得到一种综合性能更好的可见光光催化材料。 思路： 用固相反应法合成单斜烧绿石型Pb2Nb2O7并发现其有很好的催化脱色亚甲基蓝性能。探讨了焙烧温度和溶液pH值对其光催化性能的影响。通过XRD、SEM等测试技术进一步表征。撰写论文予以发表。
科学性、先进性及独特之处
- 创新点及主要技术指标 制备了单斜烧绿石型Pb2Nb2O7，并发现其有良好的可见光光催化脱色有机染料污染物能力，有较好的实用价值。国内外文献中尚未见相关研究报道。 在制备样品过程中焙烧温度对制品的光催化活性影响巨大，焙烧温度越高制品结晶性越好，但同时随着焙烧温度升高晶粒尺寸增大比表面减小不利于对有机染料吸附和分解。通过实验确定了最适合焙烧温度，找到了一个很好的平衡点。
应用价值和现实意义
- 伴随工业的高速发展，印染废水、生活污水和纺织废水等给环境带来极大灾难。而光催化技术被认为是一种更经济有效的绿色能源技术和环境污染治理技术，是解决当前世界范围内的环境恶化和能源危机等问题的有效途径。因此，我国也致力于光催化这种绿色高效的环保技术的研究。 在指导教师的指导下，本小组制备出了单斜烧绿石型Pb2Nb2O7并发现其对有机染料污染物有良好的可见光催化脱色效果，有很好的实用价值。
学术论文摘要
- Abstract： The Pb2Nb2O7 photocatalysts were prepared by a solid-state reaction method. The absorption edge of Pb2Nb2O7 was at about 450 nm. The photocatalytic activity of Pb2Nb2O7 for degrading methylene blue under visible light irradiation was evaluated. It was found that the prepared Pb2Nb2O7 photocatalyst calcined at 1073K had the highest photocatalytic activity at pH 11.52 under visible light irradiation. In addition, the effects of pH value on photocatalytic activity were also presented.
获奖情况
- 1、参赛论文《Photocatalytic decolorzation of methylene blue over monoclinic pyrochlore-type Pb2Nb2O7 under visible light irradiation》已在国际期刊《Journal of Alloys and Compounds》（合金和化合物，SCI，EI）正式发表，影响因子：1.455。 2、本课题小组成员另外一篇相关课题论文已投稿，审稿中（ Synthesis and photoluminescence properties of Sm3+-doped CaWO4 nanoparticles，已投稿国际期刊《Journal of Luminescence》，2009）
鉴定结果
- 该小组合成的单斜烧绿石型Pb2Nb2O7光催化剂为国内外首创，已在国际期刊正式发表。该论文有较好的科学性、创新性及实用价值和商业前景，并具有一定的影响力，故极力推荐该作品。——覃文庆教授
参考文献
- [1] M.R. Hoffmann, S.T. Martin, W. Choi, D.W. Bahnemann, Chem. Rev. 95(1995) 69. [2] A.L. Linsebigler, G.Q. Lu, J.T. Yates, Chem. Rev. 95 (1995) 735. [3] R. Asahi, T. Morikawa, T. Ohwaki, K. Aoki, Y. Taga, Science 293 (2001)269. [4] H. Irie, Y. Watanabe, K. Hashimoto, J. Phys. Chem. B 107 (2003) 5483. [5] J. Tang, Z. Zou, J. Ye, J. Phys. Chem. B 107 (2003) 14265. [6] H. Kim, D. Hwang, J. Lee, J. Am. Chem. Soc. 126 (2004) 8912. [7] Z. Zou, J. Ye, H. Arakawa, Chem. Mater. 13 (2001) 1765. [8] Z. Zou, J. Ye, H. Arakawa, J. Phys. Chem. B 106 (2002) 517. [9] X. Li, T. Kako, J. Ye, Appl. Catal. A 326 (2007) 1. [10] M.A. Butler, D.S. Ginley, J. Electrochem. Soc. 125 (1978) 228.
同类课题研究水平概述
- 自日本的两位学者本多健一和藤岛昭发现在太阳光照射下二氧化钛能将水分解成氧气和氢气的光催化效应以来， 光催化技术已成为当前国际上正在迅速发展的高新技术。 近年来，一些科学工作者突破传统TiO2光催化材料的诸多缺点，研制出大量的新型多元金属氧化物可见光催化材料。烧绿石型可见光催化材料就是其中的一种，近几年来得了到广泛的研究。 Jingfei Luan等通过固相反应法合成了烧绿石型结构的Bi2GaTaO7光催化材料，其禁带宽度为2.187eV，在可见光区400-568 nm（λ> 420 nm)范围有较强的光吸收，在可见光照射下可以分解水制H2和O2，在可见光照射下也可以使MB光催化脱色。 Masayoshi Uno等系统地研究了烧绿石型Ln2Zr2O7 (Ln = La, Ce, Nd, Sm)系列氧化物在可见光照射下的析氢性质，结果表明在可见光照射下的Nd2Zr2O7和Sm2Zr2O7悬浮水溶液中有氢气析出。由于稀土元素Ln 4f轨道电子的作用，这些化合物的禁带宽度变得比ZrO2 (5.0eV)更窄，结果导致Sm2Zr2O7和Nd2Zr2O7在可见光下表现出很高的光催化活性。Masayoshi Uno等还研究了固态反应法合成的烧绿石型Ln2Ti2O7 (Ln = La, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Ho, Er, Yb)氧化物的光电化学性质。结果表明La2Ti2O7和Sm2Ti2O7悬浮水溶液在可见光照射下可以析出氢气。 Wei F.Yao等通过化学溶液分解法制备了烧绿石结构的Bi2Ti2O7晶体，并研究了其在光催化性能。结果表明，烧绿石型Bi2Ti2O7晶体具有2.95eV的禁带宽度，可以吸收420-500 nm波长范围的可见光。Bi2Ti2O7中接近180º的Ti-O-Ti键角有利于光生电子-空穴对的移动，并且最终增加甲基橙分解的光催化活性。 最近，富含Pb的烧绿石Pb3Nb2O8和缺乏Pb的烧绿石 Pb3Nb4O13已经用作可见光响应型光催化料。 然而，很少有关于烧绿石型PbnNb2O5+n光催化性能的报道。我们科研小组的工作正是填补了这样一个空白对单斜烧绿石型Pb2Nb2O7可见光催化性能进行了探讨。我们所做的工作不仅对以后相关的工作有一定指导意义，同时也有一定的实用价值。
