盧遠(yuǎn)剛 楊迎春 劉盛余 葉芝祥 胡 蕾
(成都信息工程學(xué)院資源環(huán)境學(xué)院,大氣環(huán)境模擬與污染控制四川省高校重點實驗室,成都 610225)
以半導(dǎo)體氧化物為催化劑,利用光催化氧化降解污染物質(zhì)作為一種有效的污染治理方法,已成為環(huán)境保護(hù)研究領(lǐng)域的一個熱點[1]。Bi2O3是一種重要的半導(dǎo)體材料,其主要存在 α、β、γ、δ 4種晶型,Bi2O3的禁帶寬度較窄(α-Bi2O3為 2.85 eV,β-Bi2O3為 2.58 eV)[2],能被波長大于400 nm的部分可見光誘發(fā)光催化反應(yīng),是一種具有潛在應(yīng)用價值的新型可見光催化劑。在其4種晶型中,α-Bi2O3是低溫?zé)崃W(xué)穩(wěn)定相,因此一般制得的Bi2O3多為α型,由于光生電子和空穴的復(fù)合幾率較高,Bi2O3的可見光催化活性仍不能滿足實際應(yīng)用要求[3]。為克服這一缺陷,人們對Bi2O3進(jìn)行了改性研究,如非金屬離子摻雜[4],金屬離子摻雜[5-6],半導(dǎo)體復(fù)合[7-8]等,改性后Bi2O3的可見光催化活性得到了不同程度的提高。
Sn作為一種重要的金屬離子摻雜劑,在TiO2、ZnO等半導(dǎo)體光催化劑的摻雜改性研究中引起了人們的關(guān)注,由于Sn作為雙離化施主提供施主離子,可以獲得較高的電子載流子濃度,使被摻雜氧化物可以獲得更高的電導(dǎo)率和良好的場發(fā)射性能[9]。同時,Sn摻雜還能改變半導(dǎo)體氧化物的禁帶寬度和光學(xué)吸收性能,使氧化物能被部分可見光激發(fā),從而誘發(fā)光催化降解反應(yīng)[10-11]。如蘇碧桃等[12]采用浸漬-熱轉(zhuǎn)化兩步法制備了具有中空結(jié)構(gòu)的Sn4+摻雜TiO2光催化材料,該材料在太陽光照射下表現(xiàn)出了良好的光催化活性,并能保持良好的催化穩(wěn)定性。綜合國內(nèi)外對Bi2O3光催化劑的研究現(xiàn)狀,采用Sn摻雜提高其可見光催化活性的研究尚未見報道。
本工作以開發(fā)具有可見光活性的光催化劑為目的,采用浸漬法制備了Sn摻雜Bi2O3光催化劑,并利用多種表征分析手段研究了Sn的實際摻雜量及Sn摻雜對Bi2O3晶體結(jié)構(gòu)和光譜特征的影響。在可見光下,利用 2,4-二氯苯酚(2,4-DCP)的光催化降解反應(yīng),考察了Sn的摻雜量對光催化活性的影響,并探討了Sn摻雜增強Bi2O3可見光催化活性的可能原因。
試劑:硝酸鉍[Bi(NO3)3·5H2O],四氯化錫(SnCl4·5H2O),硝酸(HNO3),氫氧化鈉(NaOH),均為分析純,實驗用水為 ρ=18.2 MΩ·cm-1的超純水。
儀器:采用英國Kratos公司XSAM-800型X射線光電子能譜儀(XPS)分析樣品表面元素組成和價態(tài),真空度為5×10-5Pa,Mg Kα射線,以污染C1s(284.8 eV)作結(jié)合能值校正。采用日本島津XRF-1800型波長散射型X射線熒光光譜儀(XRF)定量測試分析樣品中Sn的實際摻雜量,分析電壓40 kV,X光管束電流95 mA,Rh靶功率為4000 W。采用丹東方圓DX-1000型X射線衍射儀(XRD)檢測樣品的晶相,Cu 靶 (λ=0.154 18 nm), 管電壓 35 kV, 管電流25 mA。采用日本電子JSM-7500F型場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察樣品的形貌,加速電壓為30 kV。采用日本島津UV-2550型紫外-可見分光光度計(UVVis)測定樣品的紫外-可見漫反射吸收光譜,以標(biāo)準(zhǔn)BaSO4作參比。采用日本島津RF-5301pc型分子熒光光譜儀(PL)測定樣品的熒光發(fā)射光譜,激發(fā)光波長367 nm。
1.2.1 催化劑的制備
采用浸漬法制備Bi2O3和不同Sn摻雜量的Bi2O3光催化劑 (記為Sn-Bi2O3),制備過程分兩步進(jìn)行。第一步,制備Bi2O3前軀體:稱取一定量的硝酸鉍溶于適量稀硝酸中,磁力攪拌下緩慢向其中滴加入2 mol·L-1的氫氧化鈉溶液直至溶液的pH值為6~7,繼續(xù)攪拌30 min后陳化24 h,然后將沉淀物過濾洗滌,置于烘箱中于80℃烘干研磨,得到Bi2O3前軀體。第二步,用浸漬法制備Sn-Bi2O3:將上述制得的Bi2O3前軀體置于燒杯中,在攪拌下緩慢滴加入一定量的四氯化錫水溶液(使Sn與Bi物質(zhì)的量的比分別為 0、1.0%、2.0%和 3.0%), 再經(jīng)超聲分散后于80℃烘干,充分研磨后置于馬弗爐中,以5℃·min-1的速度升至500℃恒溫煅燒2 h,自然冷卻至室溫后取出,經(jīng)研磨即得到不同Sn摻雜量Bi2O3光催化劑樣品。
1.2.2 光催化實驗
光催化反應(yīng)在具有夾層的圓柱形玻璃反應(yīng)器中進(jìn)行,光源為300 W,波長在400~700 nm的鹵鎢燈。光催化反應(yīng)中,2,4-DCP溶液的初始濃度為20 mg·L-1,溶液體積為 80 mL,催化劑用量為80 mg。光催化反應(yīng)前,含光催化劑的溶液在暗處攪拌吸附30 min達(dá)到物理吸附和脫附平衡,然后開啟光源,反應(yīng)過程中往夾層中通入冷凝水,以保持反應(yīng)液溫度恒定。反應(yīng)每隔一定時間取樣,離心分離除去里面的催化劑顆粒,用UV-2550型紫外-可見分光光度計在285 nm處測定上層清液的吸光度值,并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線轉(zhuǎn)換成2,4-DCP的濃度(Ct),計算其降解率,以反映樣品的光催化活性。不加催化劑的空白對照實驗在相同的實驗條件下進(jìn)行。
在化合物中,Sn通常以+2和+4兩種價態(tài)存在。為確定Sn-Bi2O3樣品中Sn的存在價態(tài),本文首先對典型樣品2%Sn-Bi2O3進(jìn)行了XPS分析,結(jié)果如圖1所示。由全譜圖(圖1(a))可知,樣品的主要元素為Bi、Sn、O及C,其中C譜峰是由測試儀器本身引入測試系統(tǒng)的污染碳所致。圖1(b)為Sn3d的高分辨XPS能譜,該能譜峰分為兩部分,即Sn3d5/2(485.8 eV)和Sn3d3/2(494.3 eV),根據(jù)電子結(jié)合能標(biāo)準(zhǔn)手冊可確定摻入的Sn僅以+4價化學(xué)態(tài)存在[13],無其他價態(tài)的Sn存在。圖1(c)為Bi4f的高分辨XPS能譜,結(jié)合能在158.5和163.9 eV處的能譜峰分別歸屬為Bi4f7/2和Bi4f5/2,體現(xiàn)了Bi3+的特征XPS峰,但其中Bi4f5/2結(jié)合能值比純Bi2O3中的Bi4f5/2(164.0 eV)略低[14],說明Bi周圍的電子云密度發(fā)生了變化,這表明Sn已摻雜進(jìn)入到Bi2O3中[15]。O元素的XPS譜(圖1(d))是不對稱的寬峰,經(jīng)分峰擬合,可以解析為晶格氧(OBi,529.6 eV)和表面羥基氧(O-H,531.2 eV)[16]。 其中,表面羥基氧是光催化反應(yīng)中氧化有機(jī)污染物的重要中間體,它能迅速捕獲光生空穴,氧化催化劑表面吸附的有機(jī)物,并能抑制光生電子和空穴的復(fù)合[17]。
為進(jìn)一步確定Sn-Bi2O3催化劑樣品中Sn的實際摻入量,實驗采用X射線熒光光譜儀對Sn-Bi2O3樣品進(jìn)行了定量測試分析。測試結(jié)果表明,理論摻雜量(Sn/Bi物質(zhì)的量的比)分別為1.0%、2.0%、3.0%的Sn-Bi2O3樣品,Sn與Bi的實際物質(zhì)的量的比分別為0.99%、1.96%、2.87%,這表明實際摻入量與理論摻雜量非常接近。說明在浸漬過程中,溶液中的Sn4+能很好地被Bi2O3前軀體吸附,并且在煅燒過程中流失量較少。為便于表述,本文以下均采用理論摻雜量進(jìn)行說明。
圖2為Bi2O3和Sn-Bi2O3樣品的XRD圖。經(jīng)與標(biāo)準(zhǔn)粉末衍射卡比較分析可知,未摻雜Bi2O3和1%Sn-Bi2O3的特征衍射峰對應(yīng)于單斜相α-Bi2O3(PDF No.65-2366),2%Sn-Bi2O3和3%Sn-Bi2O3樣品則對應(yīng)于四方相β-Bi2O3(PDF No.78-1793)。同時,對比未摻雜Bi2O3和Sn-Bi2O3樣品的XRD圖還可以發(fā)現(xiàn),Sn-Bi2O3樣品在 2θ=26.38°、29.20°、30.46°、32.86°處均出現(xiàn)了新的衍射峰,對應(yīng)屬于四方相Bi2O2.33(PDF No.27-0051)的特征衍射峰。Sn-Bi2O3樣品的XRD圖中均未出現(xiàn)有關(guān)Sn化合物的衍射峰,這可能是由于Sn的摻雜量較低,均勻分散于Bi2O3晶相中,未能被檢測出來。
在Bi2O3的4種晶型中,α相是低溫穩(wěn)定相,δ相是高溫穩(wěn)定相,在冷卻降溫過程中,δ-Bi2O3會慢慢轉(zhuǎn)變成α-Bi2O3,這個過程會經(jīng)歷一些亞穩(wěn)態(tài)的晶態(tài),如β、γ相等,因此,一般制得的純Bi2O3多為α型。但是研究表明,對Bi2O3進(jìn)行金屬摻雜和與其他半導(dǎo)體氧化物復(fù)合,可使β-Bi2O3在室溫下穩(wěn)定存在[18-19]。以上XRD表征結(jié)果顯示,2%Sn-Bi2O3和3%Sn-Bi2O3樣品主要以β相存在,說明摻雜適量的Sn,樣品在煅燒后的冷卻降溫過程中,亞穩(wěn)態(tài)的β相向α相的相轉(zhuǎn)變可能受到了抑制,從而提高了β相在低溫下的穩(wěn)定性,這與文獻(xiàn)報道一致[20]。此外,由于Sn4+與Bi3+價態(tài)不匹配,Sn4+直接取代Bi2O3晶格中的Bi3+比較困難[21],而只能以填隙的方式存在于Bi2O3晶格間隙或吸附在晶粒表面。同時,由于電荷(或成鍵能力)的不同,在低摻雜量情況下,Sn4+的成鍵會造成Bi2O3晶格中氧鍵的懸空或為了保持局部電中性失去氧而形成氧空位[22],使得部分β-Bi2O3晶格中失去氧原子而形成了四方相Bi2O2.33。由于Sn4+不能取代Bi3+而進(jìn)入Bi2O3晶格中,它可能與晶格中失去的氧原子成鍵而生成了錫的氧化物。這樣,錫的氧化物和Bi2O2.33以及β-Bi2O3就形成了均一穩(wěn)定的固溶體或異質(zhì)結(jié)構(gòu),從而阻礙了β-Bi2O3晶粒的聚集,并在一定程度上降低了體系的能量,使得β-Bi2O3顆粒沒有足夠的能量越過相變勢壘,從而最終在室溫下得到了穩(wěn)定的β-Bi2O3樣品。但當(dāng)摻雜量過低(如1%)時,這種抑制作用可能并不明顯,不能有效抑制β-Bi2O3向α-Bi2O3的相轉(zhuǎn)變,催化劑仍以α-Bi2O3形式存在。
圖3為Bi2O3和典型樣品2%Sn-Bi2O3的SEM照片。可以看出,未摻雜的Bi2O3顆粒比較大,大部分呈塊狀,團(tuán)聚現(xiàn)象較嚴(yán)重,而2%Sn-Bi2O3樣品的顆粒相對較小,且分散性優(yōu)于未摻雜Bi2O3,說明摻雜適量的Sn能有效抑制Bi2O3晶粒的團(tuán)聚。一般認(rèn)為,催化劑的顆粒越小,分散性越好,越利于溶液中污染物質(zhì)的附著[23]。并且,顆粒粒度的減小縮短了光生電子和空穴從催化劑體相內(nèi)遷移到表面的距離,光生電子和空穴的復(fù)合幾率相應(yīng)降低[24],從而有利于提高光催化降解效率。
圖4(a)為Bi2O3和Sn-Bi2O3樣品的紫外-可見吸收光譜圖(UV-Vis DRS)。由圖可知,與Bi2O3相比,不同摻雜量Sn-Bi2O3樣品的起始吸收帶邊均發(fā)生了明顯的紅移,對波長大于420 nm的可見光吸收明顯增強,其中尤以2%Sn-Bi2O3和3%Sn-Bi2O3樣品最為顯著。 根據(jù) Kubelka-Munk 函數(shù),利用(αhν)2對(hν)作圖[25](見圖4(a)內(nèi)插圖),利用直線部分外推至橫坐標(biāo)交點,可以獲得 Bi2O3和Sn-Bi2O3(1%、2%和3%)的禁帶寬度(Eg)分別約為 2.82、2.81、2.38 和 2.49 eV。說明Sn摻雜可以降低Bi2O3的禁帶寬度,而禁帶寬度是光催化性能的重要指標(biāo),光催化劑禁帶寬度越窄,被激發(fā)所需要的能量就越低,這表現(xiàn)為對可見光的吸收利用率的增強[26]。
圖4(b)是Bi2O3和Sn-Bi2O3樣品的光致發(fā)光(PL)光譜圖。光致發(fā)光光譜可以用來表征半導(dǎo)體光催化劑光生電子和空穴對的復(fù)合程度和壽命。由圖4(b)可知,在λ=367 nm的光激發(fā)下,樣品均在約452、468、481和492 nm處表現(xiàn)出了顯著的PL信號,一般認(rèn)為這是屬于帶邊自由激子發(fā)光或束縛激子發(fā)光,這些激子發(fā)光主要源于催化劑表面的氧空位和缺陷等[11]。
同時,Sn-Bi2O3與Bi2O3的PL譜圖線形十分相似,說明Sn摻雜并沒有引起新的熒光現(xiàn)象,只是改變了熒光強度,這可能是由于摻入的Sn離子對其中的電子發(fā)生爭奪,減少了催化劑表面光生電子與空穴的復(fù)合幾率,延長了光生電子和空穴的壽命,并使其能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,減小了禁帶寬度,使催化劑中光生電子-空穴對得到了有效的分離[27]。其中以摻雜2%Sn使Bi2O3的熒光強度減弱最為明顯。
樣品的光催化活性通過在可見光照射下2,4-DCP的降解率來評價,結(jié)果如圖5(a)所示。由圖5(a)可以看出,不加催化劑的空白對照實驗中,2,4-DCP只有微弱的光解,當(dāng)加入催化劑后降解率明顯增大,其降解率 順序 為:2%Sn-Bi2O3>3%Sn-Bi2O3>1%Sn-Bi2O3>Bi2O3。由此可見,在本實驗條件下,當(dāng)摻雜2%Sn時,Bi2O3樣品具有最高的可見光催化活性,光反應(yīng)320 min時2,4-DCP的降解率可達(dá)到80.8%。
為考察Sn-Bi2O3光催化劑的穩(wěn)定性,本文對2%Sn-Bi2O3樣品進(jìn)行了重復(fù)使用實驗,結(jié)果見圖5(b)??梢钥闯?,催化劑重復(fù)使用4次后,2,4-DCP的降解率變化不大,表明Sn-Bi2O3具有較好的催化穩(wěn)定性,且易于離心分離,便于重復(fù)使用。
根據(jù)樣品對2,4-DCP的降解實驗結(jié)果及表征分析,結(jié)合半導(dǎo)體氧化物的摻雜理論,分析認(rèn)為適量Sn摻雜提高Bi2O3可見光催化活性的機(jī)理可能有以下 3個方面:(1)摻雜劑 Sn4+與 Bi3+價態(tài)不匹配,Sn4+取代Bi2O3晶格中的Bi3+比較困難,而只能以填隙的方式存在于Bi2O3晶格間隙或吸附在晶粒表面,形成了錫的氧化物填隙型固溶體或與Bi2O3形成了穩(wěn)定的異質(zhì)結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致Bi2O3的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化,禁帶寬度變窄,光譜響應(yīng)范圍進(jìn)一步向可見光移動,光生電子和空穴的復(fù)合幾率降低,有效的光生空穴增多,進(jìn)而有利于樣品可見光催化活性的提高;(2)摻雜適量的Sn,可有效抑制樣品在煅燒后冷卻過程中β相向α相的相轉(zhuǎn)變,從而在室溫下得到穩(wěn)定的四方相β-Bi2O3樣品。研究表明,β-Bi2O3具有比α-Bi2O3更高的可見光催化活性[28-30],從而使得2%Sn-Bi2O3表現(xiàn)出較高的可見光催化活性;(3)Sn摻雜能有效抑制Bi2O3顆粒的團(tuán)聚和長大,使得到的Sn-Bi2O3樣品具有更小的尺寸,分散性能更好,有利于吸附溶液中被降解污染物質(zhì),使其充分與光生載流子發(fā)生反應(yīng)。以上3個因素相互協(xié)調(diào),共同促進(jìn)了Sn-Bi2O3樣品可見光催化活性的提高,其中尤以可見光吸收最強、禁帶寬度最小、熒光強度相對最弱的2%Sn-Bi2O3樣品可見光催化活性最強。
采用浸漬法成功制得了可見光響應(yīng)較強的Sn-Bi2O3光催化劑。摻雜適量的Sn,可有效抑制Bi2O3由β相向α相的相轉(zhuǎn)變,從而得到含β-Bi2O3的樣品。催化劑中Sn以+4價存在,以填隙的方式存在于β-Bi2O3晶格間隙或吸附在晶粒表面,形成了錫的氧化物填隙型固溶體或與β-Bi2O3形成了穩(wěn)定的異質(zhì)結(jié)構(gòu),并使部分β-Bi2O3晶格失去氧而形成了四方相Bi2O2.33。經(jīng)Sn摻雜改性后,Bi2O3的光譜響應(yīng)范圍進(jìn)一步向可見光拓展,禁帶寬度減小,熒光強度減弱。Sn摻雜有助于提高Bi2O3的可見光催化活性,在本實驗條件下,摻雜2%Sn時,Bi2O3的可見光催化活性最好,并能保持較好的穩(wěn)定性。
[1]LIUChun-Yan(劉春艷).Nano-photo-catalysisandPhoto-catalytic Environment Purifying Materials(納米光催化及光催化環(huán)境凈化材料).Beijing:ChemicalIndustryPress,2008:115-126
[2]Qiu Y F,Yang M L,Fan H B,et al.Mater.Lett.,2011,65(4):780-782
[3]LI Er-Jun(李 二 軍),CHEN Lang(陳 浪 ),YIN Shuang-Feng(尹雙鳳),et al.Prog.Chem.(Huaxue Jinzhan),2010,22(12):2282-2289
[4]LU Yuan-Gang(盧遠(yuǎn)剛),YANG Ying-Chun(楊迎春),YE Zhi-Xiang(葉芝祥),et al.J.Inorg.Mater.(Wuji Cailiao Xuebao),2012,27(6):643-648
[5]Xie J M,Lü X M,Chen M,et al.Dyes Pigments,2008,77(1):43-47
[6]Wu X H,Qin W,Li L,et al.Catal.Commun.,2009,10(5):600-604
[7]Li L Z,Yan B.J.Non-Cryst.Solids,2009,355(13):776-779
[8]Liu Y D,Xin F,Wang F M,et al.J.Alloys Compd.,2010,498(2):179-184
[9]WUYan-Nan(吳艷南),XUMing(徐明),WUDing-Cai(吳定才),etal.Acta Phys.Sin.(Wuli Xuebao),2011,60(7):077505
[10]CAO Hong-Hong(曹紅紅),CHEN Qiang(陳強),WANG Tian-Min(王天民).Rare Met.Mater.Eng.(Xiyou Jinshu Cailiao Yu Gongcheng),2008,37(2):219-222
[11]JING Li-Qiang(井立強),FU Hong-Gang(付宏剛),WANG De-Jun(王德軍),et al.Acta Phys.-Chim.Sin.(Wuli Huaxue Xuebao),2005,21(4):378-382
[12]ZHENG Tao(鄭燾),TIAN Ze(田澤),SU Bi-Tao(蘇碧桃),et al.Chem.Res.Appl.(Huaxue Yanjiu Yu Yingyong),2012,24(1):79-83
[13]GUO Jia-Lin(郭佳林),CHANG Yong-Qin(常永勤),WANG Ming-Wen(王明文),et al.J.Funct.Mater.(Gongneng Cailiao),2009,40(2):332-334
[14]Naik B,Martha S,Parida K M.Int.J.Hydrogen Energy,2011,36(4):2794-2802
[15]CHEN Qi-Feng(陳其鳳),SHI Wei-Mei(史衛(wèi)梅),XU Yao(徐耀),et al.Acta Chim.Sin.(Huaxue Xuebao),2010,68(4):301-308
[16]JIAO Bin-Quan(焦斌權(quán)),XU Zhao-Peng(徐朝鵬),SUN Xiao-Jun(孫曉君),et al.J.Chin.Ceram.Soc.(Guisuanyan Xuebao),2011,39(5):743-747
[17]XU Ping-Chang(許平昌),LIU Yang(柳陽),WEI Jian-Hong(魏建紅),et al.Acta Phys.-Chim.Sin.(Wuli Huaxue Xuebao),2010,26(8):2261-2266
[18]Wang Y,Wen Y Y,Ding H M,et al.J.Mater.Sci.,2010,45:1385-1392
[19]Chen X L,Eysel W.J.Solid State Chem.,1996,127(1):128-130
[20]Cabot A,Marsal A,Arbiol J,et al.Sens.Actuators B,2004,99(1):74-89
[21]WEI Zhi-Ren(韋志仁),WANG Wei-Wei(王偉偉),CAI Shu-Zhen(蔡淑珍),et al.J.Synth.Cryst.(Rengong Jingti Xuebao),2007,36(1):81-84
[22]SU Bi-Tao(蘇碧桃),SUN Jia-Xing(孫佳星),HU Chang-Lin(胡常林),et al.Acta Phys.-Chim.Sin.(Wuli Huaxue Xuebao),2009,25(8):1561-1566
[23]Yu J G,Yu H G,Cheng B,et al.J.Phys.Chem.B,2003,107(50):13871-13879
[24]Zhou M H,Yu J G,Cheng B.J.Hazard.Mater.,2006,137(3):1838-1847
[25]Li W.Mater.Chem.Phys.,2006,99(1):174-180
[26]HUANG Lei(黃壘),PENG Feng(彭峰).Ind.Catal.(Gongye Cuihua),2007,15(3):5-11
[27]YU Chang-Lin(余長林),YANG Kai(楊凱),PENG Peng(彭鵬),et al.Acta Phys.-Chim.Sin.(Wuli Huaxue Xuebao),2011,27(2):505-512
[28]ZOU Wen(鄒文),HAO Wei-Chang(郝維昌),XIN Xin(信心),et al.Chinese J.Inorg.Chem.(Wuji Huaxue Xuebao),2009,25(11):1971-1976
[29]Wang C H,Shao C L,Liu Y C,et al.J.Colliod Interface Sci.,2009,333(1):242-248