沉淀pH值對制備(BiO)2CO3光催化活性的影響

程朝柱，鐘俊波，李建章

(1.綠色催化四川省高校重點實驗室，四川 自貢 643000；2.四川理工學(xué)院化學(xué)與制藥工程學(xué)院，四川 自貢 643000)

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沉淀pH值對制備(BiO)2CO3光催化活性的影響

程朝柱1,2，鐘俊波1,2，李建章1,2

(1.綠色催化四川省高校重點實驗室，四川 自貢 643000；2.四川理工學(xué)院化學(xué)與制藥工程學(xué)院，四川 自貢 643000)

采用沉淀法制備(BiO)2CO3光催化劑，利用X射線衍射(XRD)、紫外-可見漫反射(UV-vis DRS)、孔隙及比表面(BET)和表面光電壓(SPV)等對光催化劑進行表征。以甲基橙作為模擬污染物，在氙燈光照下，考察催化劑的光催化性能。結(jié)果表明：pH=8.5制備的催化劑具有最高的光生電荷分離速率和比表面積，其光催化活性最高，光照20 min對甲基橙的脫色率達到73.81%。

(BiO)2CO3；沉淀法；光催化活性

引 言

隨著有機染料的廣泛使用，其帶來的環(huán)境污染問題也日益嚴(yán)重[1]。光催化反應(yīng)由于是在光和催化劑同時作用下所進行的化學(xué)反應(yīng)，融合了光反應(yīng)和催化反應(yīng)的諸多優(yōu)點，這使其在眾多有機染料的處理方法中具有良好的應(yīng)用前景[2-5]。

(BiO)2CO3作為一種新型的光催化劑，具有化學(xué)穩(wěn)定性高、無毒、耐光腐蝕等優(yōu)良特點[6-7]。在已有的(BiO)2CO3研究中，涉及光生電荷分離的研究鮮有報道[8-10]。本文采用沉淀法制備(BiO)2CO3光催化劑，考察pH值對制備(BiO)2CO3及其光催化活性的影響，采用表面光電壓儀(SPV)研究了催化劑的光生電荷分離效應(yīng)，以甲基橙作為模擬有機污染物評價催化劑的光催化活性，得出了一些有意義的結(jié)論。

1 實驗內(nèi)容

1.1 實驗藥品和儀器

實驗過程中所用的Bi(NO3)3·5H2O、(NH4)2CO3(均為分析純)購買于重慶川東化工有限公司，實驗用水為去離子水。

PHS-25C數(shù)顯酸度計(上海大普儀器有限公司)，HL-2型恒流泵(上海滬西分析儀器廠)，DF-101S型集熱式恒溫加熱器(鞏義市予華儀器有限公司)，78-1型磁力加熱器(杭州儀表電機廠)，ESJ182-4型電子分析天平(沈陽龍騰電子有限公司)，Phchem Ⅲ型光化學(xué)反應(yīng)儀(北京紐比特科技有限公司)，SIGMA 2-16P型離心機(德國sigma公司)，V-1100型可見分光光度計(上海美譜達儀器有限公司)。

1.2 催化劑制備

配制0.2 mol/L 的Bi(NO3)3溶液和3 mol/L (NH4)2CO3溶液。用恒流泵將上述兩種溶液滴加到500 mL燒杯中得到沉淀懸濁液，調(diào)節(jié)以上兩種溶液的滴加速度控制沉淀pH值分別為7.0、7.5、8.0、8.5和9.0。沉淀反應(yīng)后將懸濁液90 ℃水浴2 h，冷卻、過濾、洗滌，將沉淀于酒精中分散，60 ℃下烘干即得(BiO)2CO3。

1.3 催化劑的表征

XRD采用遼寧丹東方圓儀器有限公司DX-2600型X射線衍射儀，測試條件：管電壓40 kV，管電流25 mA，起始角度10°～70°。紫外-可見漫反射在北京普析通用有限公司TU-1907紫外可見漫反射儀上測定，波長掃描范圍230 nm～850 nm。比表面在北京彼奧德有限公司SSA-4200型孔隙及比表面測定儀上測定，吸附質(zhì)：N2。表面光電壓采用自組裝的表面光電壓測定儀。

1.4 光催化活性測定

稱量50 mg催化劑于100 mL石英試管中，加入50 mL濃度為 10 mg/L甲基橙溶液，置于光反應(yīng)儀中，磁力攪拌。500 W氙燈光照20 min，離心分離，取上清液于460 nm測量甲基橙的吸光度，計算出甲基橙的脫色率，所有數(shù)據(jù)取3次實驗的平均值。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 催化劑表征

圖1為所制備催化劑的XRD圖譜。通過和標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片(JCPDS NO.81-4752)比對可知：樣品的衍射峰和標(biāo)準(zhǔn)卡片一致，表明所制備催化劑均為(BiO)2CO3。無其他衍射峰存在，表明樣品純度較高。

圖1 催化劑XRD圖譜

圖2是催化劑的紫外-可見漫反射圖譜。由于曲線部分重疊，只列出了三個樣品的紫外-可見吸收。從圖2可以看出，所有樣品均有相似的能帶寬度?？紤]到測量誤差，樣品對光的響應(yīng)沒有明顯差異，結(jié)合光催化活性結(jié)果可以看出，光催化活性差異不是由催化劑對光的響應(yīng)差異而引起的。

表1為催化劑的比表面參數(shù)。由表1可知：隨著pH值的增大，催化劑的比表面和孔容存在先增大后減小的趨勢，pH=8.5制備的的催化劑具有最大的孔容和比表面積。高比表面積有利于吸附更多有機污染物參與反應(yīng)，增強催化劑的活性，這和催化劑的活性實驗結(jié)果相一致。

圖2 催化劑紫外-可見漫反射譜圖

表1 催化劑比表面參數(shù)

圖3為催化劑的表面光電壓圖。從圖3可以看出，隨著沉淀pH值的增大，催化劑的表面光電壓峰值存在先增大后減小的趨勢，pH=8.5制備的催化劑具有最強的峰值。根據(jù)SPV測定原理，強SPV峰值對應(yīng)于高的光生電子-空穴分離速率[10]，因此該樣品具有最高的光生電荷分離速度，有利于提高催化劑活性，這和催化活性結(jié)果基本一致。

圖3 催化劑SPV圖譜

2.2 催化劑活性

空白試驗表明，有光催化劑無光照，20 min后，pH=8.5制備的樣品對甲基橙吸附脫色率為8%，其他樣品對甲基橙的吸附脫色率均低于3%；無催化劑有光照，20 min后甲基橙溶液的光解率低于4%。結(jié)合光催化活性結(jié)果表明甲基橙的脫色主要是光催化作用，同時表明高比表面有利于提高對甲基橙的吸附，從而提高光催化活性。

圖4是樣品對甲基橙的光催化脫色率圖。由圖4可以看出，隨著沉淀pH值的增大，甲基橙的脫色率先增大后減小，pH=8.5制備的催化劑具有最高的光催化活性，光照20 min，該樣品對甲基橙的脫色率達到了73.81%。

圖4 催化劑的活性圖

結(jié)合所有表征結(jié)果，pH=8.5制備的催化劑具有最高的光催化活性，因為有較高的光生電荷分離速率和高比表面。

3 結(jié)束語

以Bi(NO3)3·5H2O和(NH4)2CO3為原料，采用沉淀法控制pH值制備出了(BiO)2CO3光催化劑。實驗結(jié)果表明：pH=8.5制備的催化劑具有最高的光催化活性，這歸因于其有較高的光生電荷分離速率和高比表面。

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Effect on Different Precipitation pH on the Photocatalytic Performance of (BiO)2CO3

CHENGChaozhu1,2,ZHONGJunbo1,2,LIJianzhang1,2

(1.Key Laboratory of Green Catalysis of Sichuan Institute of High Education, Zigong 643000, China;2.School of Chemical and Pharmacentical Engineering ,Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, China)

(BiO)2CO3was prepared by precipitation method with different pH and characterized by X-ray diffraction (XRD), UV-Vis diffuse reflectance spectroscopy(UV-vis DRS), Brunauer-Emmett-Teller (BET), and surface photovoltage(SPV). The photocatalytic performance of samples was evaluated by employing photocatalytic decolorization of methyl orange (MO) aqueous solution under Xe light irradiation. The results show that the (BiO)2CO3prepared with pH=8.5 exhibits the highest separation rate of photo-induced charge and BET surface area, the decolorization of MO is 73.81% after 20 min illumination.

(BiO)2CO3; precipitation; photocatalytic performance

2015-11-11

江蘇省環(huán)境功能材料重點實驗室開放項目(SJHG1307)；綠色催化四川省高校重點實驗室開放項目(LZJ14202)

程朝柱(1989-)，男，四川巴中人，碩士生，主要從事光催化方面的研究，(E-mail)512563276@qq.com

1673-1549(2016)01-0017-03

10.11863/j.suse.2016.01.04

O64.4

A