鉍鐵復(fù)合氧化物光催化材料的制備及其性能研究

郝 敏（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221000）

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鉍鐵復(fù)合氧化物光催化材料的制備及其性能研究

郝 敏
（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221000）

摘 要：采用共沉淀法制備了一系列鉍鐵復(fù)合氧化物光催化劑，并以可見(jiàn)光降解甲基橙為模型反應(yīng)，研究其在可見(jiàn)光照射下降解甲基橙的光催化性能。詳細(xì)考察了pH值、鉍鐵摩爾比、煅燒溫度等對(duì)其光催化性能的影響。在優(yōu)化條件下，鉍鐵摩爾比為2∶1、pH＝3～4時(shí)制備出的樣品具有較好的光催化性能，甲基橙的降解率可達(dá)到91.95%。

關(guān)鍵詞：鉍鐵復(fù)合氧化物；光催化；甲基橙

在解決環(huán)境污染及能源短缺等問(wèn)題中，太陽(yáng)能資源因其資源豐富、經(jīng)濟(jì)、無(wú)毒、清潔，而被廣泛應(yīng)用。所以光催化技術(shù)受到越來(lái)越多的重視，并不斷應(yīng)用于實(shí)踐中[1]。在太陽(yáng)光照射下，催化材料的表面物質(zhì)受到激發(fā)，價(jià)帶上的電子越過(guò)禁帶到達(dá)導(dǎo)帶，生成自由電子和空穴，其具有氧化還原性，在不斷研究探索過(guò)程中，光催化技術(shù)將成為處理污染問(wèn)題的有效手段之一。目前光催化領(lǐng)域的研究主要是集中在光催化材料的改性，各種方法是為了進(jìn)一步提高光催化劑的催化活性[2]。

BiFeO3是最具代表的鐵酸鉍材料之一，是少有的多鐵性材料，因其在傳感器、驅(qū)動(dòng)器、自旋電子器件以及信息存儲(chǔ)等方面應(yīng)用的潛力而廣受關(guān)注[12]。室溫下BiFeO3的禁帶寬度為2.2～2.8 eV，較小的禁帶寬度是其優(yōu)異的光催化性能的來(lái)源。同其它窄帶寬材料相比（如CdS等），BiFeO3無(wú)毒性且具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，在光催化劑領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。同BiFeO3的塊體材料相比，其納米尺寸的粉體（80～120 nm）在可見(jiàn)光輻照下降解甲基橙溶液時(shí)，表現(xiàn)出優(yōu)良的光催化活性和化學(xué)穩(wěn)定性。BiFeO3光催化劑還可以降解酸性橙п、剛果紅和羅丹明B等有機(jī)染料[13]。

本文采用共沉淀法制備了一系列鉍鐵復(fù)合氧化物光催化劑，并以可見(jiàn)光降解甲基橙為模型反應(yīng)，研究其在可見(jiàn)光照射下降解甲基橙的光催化性能。詳細(xì)考察了pH值、鉍鐵摩爾比、煅燒溫度等對(duì)其光催化性能的影響，為今后可見(jiàn)光催化降解有機(jī)污染物做指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

硝酸鉍、硝酸、草酸鈉、硫酸亞鐵、甲基橙，均為國(guó)產(chǎn)化學(xué)純。

DF-101S型恒溫加熱磁力攪拌器，鄭州杜甫儀器廠；KQ5200DE型數(shù)控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；SHB-111型循環(huán)水式多用真空泵，鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；CHF-XM-500W型短弧氙燈/汞燈穩(wěn)流電源，北京暢拓科技有限公司；722E型分光光度計(jì)，上海光譜儀器有限公司；DHG-9070A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；TGL-20B型飛鴿牌系列離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠；FA2004B型電子天平，HangPing。

1.2 催化劑制備

1）在燒杯中加入計(jì)算量Bi(NO3)3·5H2O，加入5 mLH2O后滴加濃HNO3溶解Bi(NO3)3·5H2O。在裝有計(jì)算量FeSO4·7H2O的燒杯中加入25 mL蒸餾水溶解FeSO4·7H2O。將配好的FeSO4溶液與Bi(NO3)3溶液混合配成30 mL溶液。

2）在裝有Na2C2O4的燒杯中加入30 mLH2O，在80℃的水浴中加熱攪拌溶解，配成0.267 mol/L的Na2C2O4溶液。

3）將Na2C2O4溶液用滴液漏斗滴入配好的FeSO4、Bi(NO3)3溶液中，室溫下，控制到所需pH值，攪拌、老化7 h，將所得混合物用蒸餾水洗滌、過(guò)濾，得淡黃色產(chǎn)物。

4）將過(guò)濾后的產(chǎn)物放入烘箱中在80℃下烘干10 h，分別在200℃、400℃下煅燒4 h后取出。即可制得所需樣品。

1.3 光催化降解有機(jī)污染物及性能評(píng)價(jià)

將0.1 g樣品加入到90 mL 10 mg/L的甲基橙溶液中，無(wú)光照射條件下進(jìn)行暗反應(yīng)，磁力攪拌30 min，使溶液體系達(dá)到固液吸附，之后打開(kāi)高壓汞燈（光強(qiáng)為1.135 mW·m-2）預(yù)熱，同時(shí)將紫外―可見(jiàn)光分光光度計(jì)波長(zhǎng)調(diào)到463 nm，暗反應(yīng)30分鐘后，取上層清液于離心管，進(jìn)行離心，同時(shí)將溶液放于汞燈下進(jìn)行光照。每隔20 min取樣一次。待第一次離心結(jié)束后，用膠頭滴管慢慢吸取澄清溶液于比色皿，測(cè)其吸光度A0。此后一定時(shí)間后，甲基橙溶液吸光度為At。甲基橙降解率計(jì)算公式如式（1）所示。

式中：D為降解率，A0為降解前甲基橙溶液的吸光度，At為t時(shí)間后甲基橙溶液的吸光度。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同pH值條件下合成催化劑的光催化性能

在制備催化劑的過(guò)程中，可通過(guò)調(diào)節(jié)草酸鈉的用量，調(diào)節(jié)催化劑制備過(guò)程中的pH值，考察制備的鉍鐵復(fù)合氧化物光催化性能。圖1是其他條件不變，當(dāng)pH＝2～3、pH＝3～4、pH＝5～6時(shí)所制備的鉍鐵復(fù)合氧化物為催化劑時(shí)，甲基橙的降解率。

從圖1可以看出，在光催化劑的作用下，甲基橙的吸光度穩(wěn)步降低。在120 min時(shí)pH＝2～3的光催化劑降解甲基橙降解率為53.66%，pH＝3～4的光催化劑降解甲基橙的降解率為85.36%，而pH＝5～6的光催化劑降解甲基橙的降解率為78.93%。根據(jù)圖1中三條曲線變化情況可知，在不同pH的一系列鉍鐵復(fù)合氧化物催化劑中，對(duì)甲基橙降解率比較結(jié)果為pH＝2～3＜pH＝5～6＜pH＝3～4。在制備光催化劑的過(guò)程中，調(diào)節(jié)pH＝3～4時(shí)降解甲基橙性能更好。

圖1 不同pH值條件下合成催化劑的光催化性能

圖2 不同鉍鐵摩爾比例對(duì)降解甲基橙性能的影響

2.2 鉍鐵不同摩爾比對(duì)降解甲基橙性能的影響

為了進(jìn)一步研究催化劑成份對(duì)甲基橙降解率的影響，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)改變Bi(NO3)3·5H2O和Fe2SO4·7H2O的加入量來(lái)改變Bi/Fe的比例，得到鉍鐵不同摩爾比所制備的鉍鐵復(fù)合氧化物對(duì)催化活性的影響，具體見(jiàn)圖2。在圖2中，60 min時(shí)，鉍鐵摩爾比為1∶1的復(fù)合氧化物催化劑降解甲基橙的降解率為76.80%，鉍鐵摩爾比為1∶2的復(fù)合光催化劑降解甲基橙的降解率為61.01%，而當(dāng)鉍鐵比為2∶1時(shí)，甲基橙的降解率達(dá)到了82.97%。根據(jù)圖2中曲線變化情況可知，Bi/Fe不同比例復(fù)合光催化劑對(duì)甲基橙溶液的催化降解性能不同，且得出Bi/Fe＝2∶1時(shí)甲基橙溶液降解性能更好。

2.3 不同煅燒溫度對(duì)甲基橙降解性能影響

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)催化劑進(jìn)行了煅燒，研究了是否煅燒、不同煅燒溫度鉍鐵復(fù)合氧化物光催化劑降解甲基橙速率的影響，圖3是Bi/Fe＝2∶1時(shí)，未煅燒、煅燒溫度分別為200℃和400℃條件下制備出的復(fù)合光催化劑降解甲基橙的降解率變化圖。

由圖3曲線變化情況可知，煅燒溫度為200℃時(shí)，甲基橙的降解率在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)才有所上升，變化不明顯；煅燒溫度為400℃時(shí)，在較長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)，甲基橙的降解率幾乎沒(méi)有變化；而沒(méi)有煅燒，在80℃烘干的制備條件下制得的鉍鐵復(fù)合氧化物光催化劑在同樣的時(shí)間段內(nèi)，甲基橙的降解率得到明顯上升。由圖3做推斷，可以發(fā)現(xiàn)煅燒對(duì)光催化劑降解甲基橙溶液幾乎沒(méi)有很大影響。推斷發(fā)生這種現(xiàn)象的原因，可能是在200℃、400℃的高溫下，將復(fù)合光催化劑進(jìn)行煅燒，對(duì)本來(lái)有利于降解有機(jī)污染物的成份造成破壞，某些重要物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成其他物質(zhì)。

圖3 不同煅燒溫度下的甲基橙降解率

3 結(jié)論

本文通過(guò)采用共沉淀法制備了一系列鉍鐵復(fù)合氧化物光催化劑，并通過(guò)在可見(jiàn)光下降解甲基橙的光催化性能研究，發(fā)現(xiàn)它具有優(yōu)良的可見(jiàn)光光催化性能。而且發(fā)現(xiàn)Bi/Fe摩爾比例隨著鉍含量的不斷增大，催化性能也在不斷增大。當(dāng)鉍鐵摩爾比例為2∶1、pH＝3～4時(shí)制備出的復(fù)合氧化物光催化劑具有較好的光催化性能。鉍鐵復(fù)合氧化物光催化劑作為Bi2O2CO3復(fù)合改性而成的一種新型光催化劑，催化活性明顯超過(guò)TiO2，因此是一種較為值得深入研究的光催化劑。其良好的催化降解性能，可以降解很多難降解的有機(jī)物，并且不會(huì)造成二次污染，如果被引入治理環(huán)境污染問(wèn)題中，一定會(huì)有很大的幫助。

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Preparation and Performance of Bismuth and Iron Compound Oxides Photocatalysis Materials

HAO Min
（China University of Mining and Technology, Xu zhou 221000, China）

Abstract:This paper introduced a series of Bismuth and iron compound oxides photocatalysts were prepared by coprecipitation method, and the visible light degradation of methyl orange as a model reaction, photocatalytic performance of the degradation under visible light irradiation of methyl orange. Effects of pH value, bismuth and iron molar ratio, calcination temperature on the photocatalytic properties were investigated in detail. Under the optimized conditions, bismuth and iron molar ratio was 2∶1, the prepared samples in pH＝3～4 had better photo catalytic degradation of methyl orange, the degradation rate could reach 91.95%.

Key words:bismuth and iron compound oxides; photocatalysis; methyl orange

作者簡(jiǎn)介：郝 敏（1992～），女，山西人，本科；主要從事化學(xué)工程與工藝的研究。654035496@qq.com

基金項(xiàng)目：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)2015年創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基金項(xiàng)目大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目（201552）。

收稿日期：2015-12-22

文章編號(hào)：1009-220X(2016)01-0048-04

DOI:10.16560/j.cnki.gzhx.20160117

中圖分類號(hào)：TQ426.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A