Bi2Fe4O9的制備及光催化性能研究

張道華，梁清華，胡 靜

(湖北師范學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院， 湖北 黃石 435002)

0 引言

Bi2Fe4O9是除BiFeO3之外的又一種重要的多鐵性功能材料，近年來有不少的研究人員對Bi2Fe4O9的結(jié)構(gòu)、性能以及制備方法進(jìn)行了大量研究[1～3]，研究表明，Bi2Fe4O9也同時具有結(jié)構(gòu)有序，即鐵電有序(TC=250K)和反鐵磁有序(TN=260K)。此外，Bi2Fe4O9還是一種優(yōu)良的氣敏材料，對乙醇和丙酮蒸汽有很高的靈敏性，可用于制造半導(dǎo)體氣敏傳感器[4]。同時，Bi2Fe4O9還是一種重要的催化劑，可以將氨氧化為NO[5]，所以也很有可能被用來替代目前大量使用的基于鉑、銠和鈀的合金催化劑，因?yàn)楹笳邇r格昂貴且不能回收再利用。近年來，研究者通過對其光學(xué)性能研究發(fā)現(xiàn)，Bi2Fe4O9是一種窄帶隙材料，其帶隙約為 2.1 eV，在可見光范圍內(nèi)具有良好的光響應(yīng)。于是，研究者對其制備方法和材料的性能進(jìn)行了廣泛的研究[6～8]。本課題擬采用共沉淀法在各種不同的制備條件下，制備不同結(jié)構(gòu)形貌的 Bi2Fe4O9樣品，研究不同的條件對Bi2Fe4O9樣品的結(jié)構(gòu)形貌的影響，從而達(dá)到可控制備Bi2Fe4O9納米材料。

1 實(shí)驗(yàn)方法與樣品制備

本實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純級試劑，首先，按摩爾比1∶2稱取一定量的Bi(NO3)3·5H2O和Fe(NO3)3·9H2O放入燒杯，再將事先配制好的稀硝酸溶液也全部加入燒杯，攪拌約30min得到透明溶液I；然后將配制好的NaOH溶液滴入溶液I，直到溶液呈強(qiáng)堿性，持續(xù)攪拌1h使沉淀混合均勻；將溶液I邊攪拌邊超聲振蕩，振蕩結(jié)束后，再用蒸餾水洗滌沉淀，直至上層溶液呈中性；將洗滌后的沉淀物放入干燥箱中干燥，將干燥后的沉淀物放入研缽中研磨，將沉淀物直接放入退火爐中，按照不同的溫度和時間鍛燒，最后直接取出得所需樣品。

室溫下采用德國布魯克公司的D8 X射線衍射儀分析Bi2Fe4O9粉體的結(jié)晶，用SEM測試了不同制備條件下Bi2Fe4O9粉體的晶粒形貌；用UV-Vis分析Bi2Fe4O9粉體對可見光的吸收情況；用光催化性能測試Bi2Fe4O9粉體對甲基橙的降解情況。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 X射線衍射(XRD)分析

圖1 在不同燒結(jié)溫度下，燒結(jié)2h所得Bi2Fe4O9粉體的XRD圖譜

為了探索不同的燒結(jié)溫度對Bi2Fe4O9結(jié)晶的影響，我們用相同的原料、采用相同的工藝條件，制備了前驅(qū)體，最后分別在600℃、650℃、700℃、750℃、800℃和850℃的煅燒溫度下煅燒2h.圖1為不同煅燒溫度下煅燒2h所得到的Bi2Fe4O9粉體的XRD圖。從圖中可以看出，在600℃煅燒2 h后出現(xiàn)了許Bi2Fe4O9粉體的衍射峰，但圖顯示粉體的衍射峰較寬，結(jié)晶較差，同時還有BiFeO3的雜相存在。隨著溫度的提高，到650℃時出現(xiàn)了大量Bi2Fe4O9粉體的衍射峰，但仍有雜峰存在，且衍射峰強(qiáng)度很弱。到了700℃時，粉體已經(jīng)得到了充分的結(jié)晶，此時XRD衍射峰的所有晶面都與Bi2Fe4O9標(biāo)準(zhǔn)PDF卡(JCPDS: 25-0090)相對應(yīng)，說明產(chǎn)物形成完整的正交相，且沒有雜相峰存在。在750℃時，產(chǎn)物仍然是純相Bi2Fe4O9粉體，衍射峰強(qiáng)度略有增大。到了800℃和850℃，產(chǎn)物也是純相Bi2Fe4O9粉體，但相比700℃和750℃下，沒有那么好，且考慮到高溫容易引起粉體團(tuán)聚，故認(rèn)為在2h時，將粉體的煅燒溫度設(shè)在700℃～750℃是比較合適的。

2.2 純相Bi2Fe4O9粉體的掃描電鏡(SEM)分析

為了研究在不同的煅燒溫度下，Bi2Fe4O9納米晶體的結(jié)構(gòu)形貌，我們選取在650℃、700℃、750℃和800℃溫度下的結(jié)構(gòu)形貌作為比較。圖2所示為不同煅燒溫度下Bi2Fe4O9.納米晶體的SEM圖片，從圖2中可以看出，在這四個溫度下煅燒，均得到了很好的結(jié)晶，但是，在煅燒溫度為650℃時，晶體的顆粒較小，形狀不規(guī)則，也不夠均勻。當(dāng)在700℃煅燒時，顆粒尺寸顯著增加到200nm左右；到750℃時，顆粒尺寸進(jìn)一步增加到500nm，可以明顯看到片狀結(jié)構(gòu)；到800℃時，又為不規(guī)則狀，且顆粒較大，而且有粉體團(tuán)聚的現(xiàn)象，造成的原因有：溫度升高，晶粒獲得較高能量時，有自發(fā)向其穩(wěn)定狀態(tài)生長的趨勢，晶粒的團(tuán)聚生長可降低其表面能，有利于晶粒的穩(wěn)定存在[8]。

2.3 Bi2Fe4O9的UV-Vis分析

在進(jìn)行 Bi2Fe4O9納米顆粒的光催化表征之前，首先要表征一下它的光吸收譜，因?yàn)樽贤?可見光吸收邊與半導(dǎo)體催化劑的帶隙有著很大的關(guān)系。Bi2Fe4O9納米線的紫外-可見光漫反射光譜是用紫外-可見光光譜儀測量的，結(jié)果如圖3(a)所示。Bi2Fe4O9納米顆粒的光吸收邊在560 nm左右，即Bi2Fe4O9納米顆粒不僅對紫外光有光響應(yīng)，還對一部分可見光(420～590 nm)也同樣具有光響應(yīng)。

圖2 Bi2Fe4O9粉體在不同燃燒溫度下保溫2小時的SEM照片

將Tauc曲線的線性部分延伸到與橫坐標(biāo)軸相交，其交點(diǎn)的橫坐標(biāo)即為Bi2Fe4O9納米顆粒的光學(xué)帶隙Eg，其值約為2.22 eV.根據(jù)以上理論算出Bi2Fe4O9樣品的帶隙約為2.22eV，這與以前的文獻(xiàn)報道的帶隙值略大。Bi2Fe4O9的帶隙與TiO2(3.2 eV)相比比較小，也就是說它在可見光下也同樣具有光催化活性。

圖3 Bi2Fe4O9粉體的 UV-Vis漫反射圖譜

2.4 Bi2Fe4O9的光催化性能分析

Bi2Fe4O9納米顆粒作為催化分解有機(jī)物的實(shí)驗(yàn)是用 300W的氙燈照射下進(jìn)行了，pH值沒做任何調(diào)節(jié)， 實(shí)驗(yàn)中選擇的有機(jī)物是光催化實(shí)驗(yàn)中最常用的有機(jī)污染物-甲基橙(MO).MO 的初使?jié)舛葹?15mg/L，加入的 Bi2Fe4O9納米顆粒催化劑為 30mmol/L.每隔1h或 2h，我們?nèi)〕鲆恍〔糠秩芤?，以測量其中MO的濃度。對 MO濃度的測量用的是紫外-可見分光計，關(guān)注MO在 464nm處的光吸收(這是 MO的特征值)即可。在每次測量之前，樣品溶液都以300 轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行離心 10min，其目的是將 MO溶液中的 Bi2Fe4O9納米顆粒除去。MO濃度和其在 464nm處的光吸收有個一個標(biāo)準(zhǔn)的線性曲線，根據(jù)這個曲線以及我們測量到 MO 在 464nm 處的光吸收，我們就可以得知每次取出來的 MO的濃度了。

在圖4 給出了 Bi2Fe4O9納米顆粒作為催化劑分解 MO 的詳細(xì)數(shù)據(jù)。作為一個典型的有機(jī)污染物，沒有任何催化劑的話，MO在可見-紫外光照射下很穩(wěn)定。如圖所示，不加 Bi2Fe4O9納米顆粒，經(jīng)過 9h的可見-紫外光照射，MO的分解率不到3%.然而，加了Bi2Fe4O9納米顆粒作為催化劑后，經(jīng)過 15h的可見-紫外光照射，MO被分解掉了 80%以上。

圖4 為Bi2Fe4O9在可見光下催化的甲基橙的光降解曲線

3 結(jié)論

本文研究了共沉淀法制備多鐵性材料Bi2Fe4O9的制備過程，研究了不同制備條件下對Bi2Fe4O9晶體結(jié)構(gòu)和形貌的影響，分析了Bi2Fe4O9粉體的光催化性能，得出以下結(jié)論：

1)在650℃～750℃的溫度條件下，直接煅燒2小時，可得到純相Bi2Fe4O9粉體。

2)SEM結(jié)果表明隨著灼燒溫度的提高，晶粒的尺寸增加，750℃時晶粒呈片狀。但溫度升高，易造成粉體團(tuán)聚。

3)UV-Vis分析表明， Bi2Fe4O9在可見光區(qū)域有較強(qiáng)的吸收，吸收邊帶約為 560 nm左右。光催化性能表明，Bi2Fe4O9粉體對甲基橙降解效果較好，光照15h后，基橙降解率可達(dá)到84%左右。

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