釩酸鉍系光催化劑研究進(jìn)展

關(guān)慶豐，趙世鐸，高 新，劉怡麗，史久靜，林 雪

(1．江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.吉林師范大學(xué) 化學(xué)學(xué)院,吉林 四平 136000)

釩酸鉍系光催化劑研究進(jìn)展

關(guān)慶豐1，趙世鐸2，高 新2，劉怡麗2，史久靜2，林 雪2

(1．江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.吉林師范大學(xué) 化學(xué)學(xué)院,吉林 四平 136000)

釩酸鉍系光催化劑在降解水環(huán)境中有機(jī)污染物方面具有良好的可見(jiàn)光催化活性，本文介紹了釩酸鉍光催化劑的研究動(dòng)態(tài)和主要成果，并對(duì)釩酸鉍系光催化劑的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望.

釩酸鉍；光催化劑； 光催化氧化

0 引言

染料廢水是主要的有害工業(yè)廢水之一，具有成分復(fù)雜、污染范圍廣、危害大等特點(diǎn)，主要來(lái)源于染料及染料中間體生產(chǎn)行業(yè)，由各種產(chǎn)品和中間體結(jié)晶的母液、生產(chǎn)過(guò)程中流失的物料等組成．將染料排放至水體環(huán)境中會(huì)引起嚴(yán)重的環(huán)境污染和健康問(wèn)題[1-2].我國(guó)是染料生產(chǎn)大國(guó)，紡織染料工業(yè)近年來(lái)發(fā)展迅速，目前我國(guó)各種染料產(chǎn)量已達(dá)90萬(wàn)噸以上，染料產(chǎn)量占世界的60%左右，因此我國(guó)染料污染問(wèn)題十分嚴(yán)重，可以說(shuō)對(duì)這一問(wèn)題的解決已到了刻不容緩的地步.許多研究報(bào)告表明有毒有害染料已廣泛存在于土壤、地表水、地下水、沉積物和城市污水中[3].因此，消除環(huán)境中染料廢水帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題已成為科研工作者迫切需要解決的重大問(wèn)題.

處理這類(lèi)污染物的傳統(tǒng)方法主要依靠吸附法、過(guò)濾法、物理吸附絮凝、微生物降解、電解處理法、化學(xué)氧化法等方法，這些方法存在處理速度慢、凈化不徹底及不可避免地會(huì)造成二次污染等問(wèn)題[4-5].近年來(lái)，應(yīng)用新型半導(dǎo)體材料光催化降解有機(jī)污染物廢水因其具有降解完全、速度快、廉價(jià)、無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可有效利用太陽(yáng)光作為光源以緩解能源危機(jī)而引起了研究者的廣泛關(guān)注[6-7].

光催化技術(shù)(Photocatalytic Technique)清潔、環(huán)保、友好，可有效去除環(huán)境中的有機(jī)污染物.研究者多以微/納米半導(dǎo)體氧化物(如TiO2)作為光催化材料，對(duì)環(huán)境中含有機(jī)污染物廢水進(jìn)行光催化處理，取得了可行性的研究結(jié)果[8-9].但是，由于常用的普通微/納米半導(dǎo)體氧化物光催化劑顆粒(如TiO2等)自身的局限性(帶隙較寬，約為3.2 eV)導(dǎo)致其不能有效的利用太陽(yáng)光能源.達(dá)到地球表面的太陽(yáng)光中能激發(fā)TiO2的紫外線(xiàn)(≤387 nm)只有5%，而人工UV光源相對(duì)比較昂貴需要消耗大量的電力，因而在很大程度上限制了該方法的應(yīng)用.可見(jiàn)光約占太陽(yáng)光總能量50%，到達(dá)地球表面的能量可高達(dá)1.5×1024J/a，是人類(lèi)每年消耗總能量的一萬(wàn)倍，因此利用太陽(yáng)光中可見(jiàn)光意義重大.人們一直致力于研究新的催化劑和新的光催化方法，以充分利用可見(jiàn)光和提高光催化效率來(lái)治理環(huán)境污染物.因此，制備穩(wěn)定、可控、高效光催化劑的方法及半導(dǎo)體材料，研究與之相關(guān)的光催化降解因素及機(jī)理過(guò)程(平衡、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)及界面化學(xué)現(xiàn)象)成為目前研究的活躍領(lǐng)域.

近年來(lái)，釩酸鉍系半導(dǎo)體材料因其在可見(jiàn)光輻照下對(duì)難降解有機(jī)物具有良好的催化作用而成為新型光催化材料的研究熱點(diǎn)之一[10].然而，傳統(tǒng)的固相法制備的釩酸鉍材料除了具有相對(duì)較低的量子效率外，還因?qū)梢?jiàn)光利用率不高，限制了它在光催化方面的應(yīng)用.為了提高其光催化活性，科學(xué)工作者們?cè)诓粩嗵綄じ鞣N新型高效、穩(wěn)定的光催化材料的同時(shí)，也在致力于探究光催化的基本原理，力圖提高其光催化效率，并且在工業(yè)化應(yīng)用等方面進(jìn)行了廣泛的嘗試和深入的研究.

1 釩酸鉍系光催化劑研究

近年來(lái)，我們課題組采用水熱法制備了系列釩酸鉍(BiVO4)光催化材料，研究了不同條件下制備的釩酸鉍材料的光催化性能，并討論了其形貌及結(jié)構(gòu)對(duì)其性能的影響規(guī)律.

2013年，我們課題組采用水熱法制備了魚(yú)骨狀BiVO4(如圖1)[11]， 所制備的BiVO4具有較好的可見(jiàn)光催化活性，其經(jīng)可見(jiàn)光照射180 min對(duì)羅丹明B降解率可達(dá)100%.

圖1 水熱法制備的魚(yú)骨狀BiVO4 的TEM照片

同年，我們制備了球形、花形和線(xiàn)狀BiVO4光催化劑 (如圖2)，并討論了形貌對(duì)其性能的影響[12].

圖2 水熱法制備的球形、花型和線(xiàn)狀BiVO4 的TEM照片

近期，我們報(bào)道了球形、啞鈴狀、紡錘狀及稻穗狀BiVO4材料的水熱制備(如圖3)[13]．其中，稻穗狀BiVO4納米結(jié)構(gòu)光催化劑經(jīng)可見(jiàn)光照射180 min對(duì)羅丹明B降解率可達(dá)100% (如圖4).

圖3 水熱法制備的球形、啞鈴狀、紡錘狀和稻穗狀BiVO4 的SEM照片

圖4 稻穗狀BiVO4 降解羅丹明B圖

2 釩酸鉍系光催化劑研究展望

釩酸鉍基光催化材料在可見(jiàn)光下的光催化活性雖然較傳統(tǒng)催化劑TiO2已有顯著提升，但是由于其量子效率較低，因此離工業(yè)化應(yīng)用仍有較遠(yuǎn)的距離.提高釩酸鹽光催化效率的途徑主要有提高其可見(jiàn)光吸收效率，降低光生電子和空穴的復(fù)合幾率等.目前，大多數(shù)研究主要通過(guò)改變化學(xué)合成工藝參數(shù)、金屬及非金屬離子摻雜和無(wú)機(jī)化合物復(fù)合等手段來(lái)提高釩酸鉍材料光催化劑的光催化效率，已取得了一些有意義的研究成果，但對(duì)其光學(xué)性能、能帶結(jié)構(gòu)以及降解機(jī)理仍需要進(jìn)一步討論.關(guān)于釩酸鉍系光催化劑合成方法的探索已經(jīng)逐漸完善，如通過(guò)改變化學(xué)合成工藝參數(shù)控制產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)和形貌以調(diào)控其性能.同時(shí)，光催化劑的固定和再生是光催化技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題.因此，我們課題組未來(lái)的工作將圍繞尋找合適的載體和固定化方法，通過(guò)引入具有吸附功能的載體，制備負(fù)載型光催化劑，將吸附、降解、分離有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，以提高光催化劑的光催化效率；并對(duì)釩酸鉍系材料的構(gòu)效關(guān)系進(jìn)行探討，同時(shí)對(duì)釩酸鉍系材料能帶結(jié)構(gòu)及降解機(jī)理進(jìn)行深入的學(xué)習(xí).

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DevelopmentofBismuthVanadatePhotocatalystsResearching

GUANQing-feng1,ZHAOShi-duo2,GAOXin2,LIUYi-li2,SHIJiu-jing2,LINXue2

(1.School of Materials Science and Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China;2.College of Chemistry,Jilin Normal University,Siping 136000,China)

Bismuth vanadate photocatalysts have good photocatalytic activity for the degradation of organic pollutants in wast water under visible light irradiation.This paper reviews the development of BiVO4photocatalysts,and gives the prospect of bismuth vanadate photocatalysts.

Bismuth vanadate; photocatalysts;photocatalytic oxidation

郎集會(huì))

2014-05-29

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50671042,U12331111);江蘇大學(xué)高級(jí)人才基金(07JDG032)

關(guān)慶豐(1963-),男,吉林省長(zhǎng)春市人,現(xiàn)為江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授,博士，博士生導(dǎo)師.研究方向:微結(jié)構(gòu)、表面改性及功能材料.

X131.2

A

1674-3873-(2014)03-0022-03