Ag1-xInxSy基硫化物固溶体的制备及可见光催化降解水中含氮污染物的研究

Since the 1990s, photocatalytic technology has attracted considerable attention, and become the most promising method for wastewater treatment. With the photocatalytic technology, developing visible light responding photocatalysts is the key for sunlight efficiently utilization. Photocatalysts designed by the method of forming solid solution could continuously adjust the conduction band edge, valence band edge and the band gap via changing the constitutions. Moreover, solid solution photocatalysts are single-phase materials, and the photogenerated electron-hole could move more smoothly, which leads to better separation of photogenerated charges. Thus, the solid solution method is becoming the best strategy for designing the photocatalyst responding to visible light at present. Therefore, in view of the eutrophication of water body, in this project, Ag1-xInxSy-based sulfide solid solution will be chosen as the visible light photocatalyst to degrade the nitrogen pollutants in water. The Ag1-xInxSy-based photocatalysts of high visible light photocatalytic activity and good stability for the degradation of nitrogen pollutants in water will be achieved by adjusting the energy band structure. On the basis of the experimental results, the degradation mechanism of Ag1-xInxSy-based solid solution for nitrogen pollutants will be put forward. The research work mainly includes the following four aspects: (1)the preparation of Ag1-xInxS1-x-based solid solution; (2)the energy band measurement of Ag1-xInxS1-x-based solid solution; (3)the degradation activity of Ag1-xInxS1-x-based solid solution for nitrogen pollutants in water under visible light irradiation; (4)the degradation mechanism of Ag1-xInxS1-x-based solid solution for nitrogen pollutants in water under visible light irradiation.

自20世纪90年代以来，光催化技术受到国内外研究者的广泛重视，成为污水处理的有效方法，其中可见光响应催化剂的制备是关键。通过形成固溶体的方式构筑的光催化剂，能通过改变组成实现对固溶体的导带、价带位置和带隙的连续调控，被认为是当前设计新型可见光催化剂的最佳策略。针对当前水体富营养化的污染现状，本项目以Ag1-xInxSy基硫化物固溶体为研究对象，探讨其对水溶液中的含氮污染物的可见光降解活性，通过能带调控，优选出稳定性高、可见光活性好，能对含氮污染物进行有效降解的Ag1-xInxSy基固溶体光催化剂，在此基础上，提出该催化剂对含氮污染物的降解机理。具体内容包括以下四方面：(1)制备Ag1-xInxSy基固溶体；(2)测定Ag1-xInxSy基固溶体的能带结构；(3)研究Ag1-xInxSy基固溶体对水中含氮污染物的可见光降解活性；(4)探讨Ag1-xInxSy基固溶体对含氮污染物的降解机理。

项目背景：.光催化氧化技术受到国内外研究者的广泛重视，其中可见光响应催化剂的研制是关键。三元硫化物AgInxSy对可见光有较强的吸收，具有独特的光电性质。本项目以AgInxSy为研究对象，探讨活性高、可见光响应好、稳定的AgInxSy的制备及其可见光催化降解含氮污染物的机理。.主要研究内容：.AgInxSy和AgInxSy基可见光催化剂的制备;可见光催化活性分析;带隙和带边位置的测定;可见光催化降解含氮污染物的机理探讨。.重要结果：.（1）改进了低温水浴法制备AgInxSy的后处理法，改进后的方法绿色环保，制备的样品同时具有可见光催化氧化活性和还原活性，循环使用稳定性好。.（2）在AgInxSy中引入金属离子、MWCNTs、氧化物等，所制备的AgInxSy基催化剂的可见光催化氧化活性明显提高。.（3）通过光电化学法确定了AgInxSy和AgInxSy基催化剂的带隙和带边位置；通过中间产物检测和活性物种捕获，拟定了AgInxSy和AgInxSy基催化剂的可见光催化氧化和还原机理。.关键数据：.（1）采用改进的低温水浴法制备了AgInxSy，其中AgInS2的催化活性最高。引入适量Zn、Y、Ca、Ni、Mn、Fe、K、Cu、Bi、Co、Mg、Au、MWCNTs、MoS2到AgInxSy中，所得的AgInxSy基催化剂的可见光催化氧化活性明显提高；制备的AgInxSy同时具有优异的可见光催化还原活性，15 min内对Cr(VI)的还原率达到100%；AgInxSy循环使用后，表现出良好的结构稳定性和重复使用稳定性。.（2）所制的AgInxSy导带边位置约为-0.60~-0.90 V（vs SCE），带隙能约为1.80~1.40 eV，价带边约为1.10-0.60 eV，Zn的引入使导带边由-0.60V降低为-0.55 V，带隙能由1.61 eV减小为1.45 eV，引入Au后，导带边由-0.82 V降低为-0.72 V，带隙能由1.45 eV减小为1.38 eV。.（3）机理研究表明：AgInxSy对罗丹明B的降解反应主要以脱乙基和羟基化反应为主，AgInxSy不同，引入的物质不同，降解底物不同，其主要活性物种也不同。.科学意义：.本项目为进一步研究AgInxSy对水环境中含氮污染物的降解提供基础数据和理论依据，同时也为AgInxSy的进一步开发应用提供思路和和方法。