半導(dǎo)體光催化材料鎢酸鉍的研究進(jìn)展

梁博涵

摘 要：Bi2WO6作為一種常見(jiàn)的光催化材料被人們廣泛研究，可用于光催化技術(shù)治理環(huán)境污染問(wèn)題，其光催化性能可以通過(guò)摻雜改性得到明顯提高。本文論述了Bi2WO6光催化材料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，介紹了幾種Bi2WO6復(fù)合光催化材料，包括Ag- Bi2WO6光催化復(fù)合材料，g-C3N4/Bi2WO6復(fù)合光催化材料，共摻雜光催化材料，石墨烯復(fù)合Bi2WO6光催化材料以及它們的制備方法。最后對(duì)上述內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)與展望。

關(guān)鍵詞：鎢酸鉍;Ag-Bi2WO6復(fù)合光催化材料;g-C3N4/Bi2WO6復(fù)合光催化材料

中圖分類號(hào)：TQ426.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）03-0218-02

0 引言

全球面臨的環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重，而傳統(tǒng)降解污染物的方法具有局限性，如存在二次污染、降解不充分等問(wèn)題，所以開(kāi)發(fā)新的污染治理方法十分必要。光催化技術(shù)是一種在光催化材料的作用下將光能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能降解污染物的新興技術(shù)，在治理污染方面具有降解充分，高效清潔等巨大優(yōu)勢(shì)，這無(wú)疑為全球環(huán)境問(wèn)題提供了一種解決方法。

光催化材料在光催化技術(shù)中起著媒介的關(guān)鍵作用，光催化材料的優(yōu)劣往往決定了光催化反應(yīng)的效率。但是常見(jiàn)的光催化材料（如TiO2）存在許多不足之處，如可見(jiàn)光利用波長(zhǎng)范圍小、空穴與電子易復(fù)合等。而鎢酸鉍（Bi2WO6）是一種新型的含氧酸鹽光催化材料，具有較高穩(wěn)定性。Zou等人報(bào)道Bi2WO6在光照下不僅表現(xiàn)出光催化活性，而且可以礦化水中的CH3Cl、CH3CHO等有機(jī)污染物，之后又通過(guò)水熱法制備出了活性較高的Bi2WO6納米顆粒。自此，Bi2WO6光催化材料降解有機(jī)物已經(jīng)顯現(xiàn)出了巨大的研究?jī)r(jià)值。

1 Bi2WO6光催化材料

1.1 Bi2WO6的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

Bi2WO6是一種n型寬帶隙新型半導(dǎo)體光催化材料。Bi2WO6晶體是典型的鈣鈦礦層狀結(jié)構(gòu)。它的禁帶寬度（Eg）為2.7eV左右，窄于TiO2的帶隙[1]。擁有較窄的禁帶寬度使Bi2WO6能在可見(jiàn)光區(qū)域發(fā)生光能響應(yīng)。

陳淵等[1]人研究發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)光照下Bi2WO6在15min內(nèi)對(duì)甲基橙的降解率可達(dá)100%，并且在循環(huán)反應(yīng)5次后仍有光催化降解性能，光催化活性基本沒(méi)有改變，證明了Bi2WO6光催化材料具有較高的穩(wěn)定性。

1.2 Bi2WO6的制備方法

Bi2WO6的常用制備方法有水熱法，固相法，溶膠-凝膠法等。

合成Bi2WO6光催化劑的最常用方法是水熱法。劉瑛等[2]人以Bi（NO3）3·5H2O和Na2WO4·2H2O為原料，采用水熱法合成了Bi2WO6;在180℃、不同pH下反應(yīng)24h后的形貌會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)pH=7時(shí)，產(chǎn)物的結(jié)晶性最好。也可使用固相燒結(jié)的方法，將Bi元素和W元素的固體氧化物或鹽機(jī)械混合，直接在1000℃左右燒結(jié)得到Bi2WO6。但這種方法制備的產(chǎn)物通常顆粒半徑大，光催化性能不高。

品質(zhì)最佳的純Bi2WO6的催化性能依然可以繼續(xù)提高，可以通過(guò)摻雜等方式進(jìn)一步改善。常見(jiàn)摻雜（復(fù)合）的改進(jìn)方法有金屬離子摻雜、g-C3N4復(fù)合、共摻雜、石墨烯復(fù)合法等。

2 Ag-Bi2WO6復(fù)合光催化材料

2.1 原理

Ag是良好的導(dǎo)體，故將Ag沉積到Bi2WO6材料的表面可捕獲光生電子，可以有效地阻止電子-空穴對(duì)復(fù)合[1]。而B(niǎo)i2WO6光催化材料的能帶結(jié)構(gòu)也因Ag的摻雜得到改善，從而提高Bi2WO6材料的光催化活性。此外，Bi2WO6光催化材料的比表面積因摻雜了金屬Ag而得到擴(kuò)大，使其更高效更快速地分解污染物。

2.2 制備

制備Ag-Bi2WO6光催化劑的常見(jiàn)方法有溶膠-凝膠法，水熱法等。

羅序燕等[1]人采用溶膠-凝膠法制備了Ag-Bi2WO6新型復(fù)合光催化材料。Ag/Bi2WO6相比與純Bi2WO6，能在界面上分離光生電子和空穴，提高其光催化性能。摻雜量為0.8%的Ag/Bi2WO6在可見(jiàn)光條件下能夠降解95.40%的亞甲基藍(lán)（MB），而純Bi2WO6在相同條件下的降解率僅有73.76%。這表明摻入Ag復(fù)合后的Bi2WO6光催化材料具有更高的光催化活性。

3 g-C3N4/Bi2WO6復(fù)合光催化材料

3.1 原理

g-C3N4是一種半導(dǎo)體聚合物，能夠利用波長(zhǎng)小于475nm的光，禁帶寬度約為2.7eV。g-C3N4/Bi2WO6復(fù)合光催化材料，在擴(kuò)增光吸收范圍的同時(shí)，也可以促進(jìn)光生電子在材料界面的分離和遷移，提高了它的光催化性能。這種摻雜方法也是目前的主流改性方法之一[1]。

3.2 制備

制備這種光催化材料可以采用制備半導(dǎo)體復(fù)合光催化材料的常用方法，如水熱法等。

Hao等[1]人通過(guò)單步水熱法制成了g-C3N4/Bi2WO6復(fù)合光催化劑，g-C3N4摻雜的比例達(dá)到30%。在可見(jiàn)光照射下，該光催化材料對(duì)Rhb（羅丹明B）表現(xiàn)出最優(yōu)良的光催化活性，120min內(nèi)可以降解99.3%的Rhb，對(duì)比于純樣的Bi2WO6光催化材料提高了21%。

4 共摻雜Bi2WO6復(fù)合光催化材料

4.1 原理

共摻雜是指通過(guò)金屬之間、金屬和非金屬、非金屬之間摻雜Bi2WO6以及非金屬氧化物的復(fù)合來(lái)提高Bi2WO6光催化活性的一種方法。通過(guò)多物質(zhì)共同摻雜，使整體光催化材料的能帶結(jié)構(gòu)得到大幅度改良，光響應(yīng)范圍得到提升。同時(shí)在一定程度上使各種材料的優(yōu)點(diǎn)疊加且缺點(diǎn)互補(bǔ)，從而提高其光催化活性，使其更高效徹底地催化分解污染物。

4.2 制備

趙偉碩等[4]人采用超聲法制備Ag-Bi2WO6-TiO2光催化材料。將TiO2溶膠與Ag-Bi2WO6混合，經(jīng)超聲波處理后干燥、煅燒，制得Ag-Bi2WO6-TiO2光催化材料。實(shí)驗(yàn)證明，Ag-Bi2WO6-TiO2材料與超聲波、臭氧組合對(duì)甲基橙的降解率高達(dá)93%以上。Lai K等[5]人制備了N與Mo共摻雜的Bi2WO6復(fù)合物。實(shí)驗(yàn)表明，相比于純Bi2WO6，這種復(fù)合后的光催化材料禁帶寬度更低，光催化活性更高。

5 石墨烯復(fù)合Bi2WO6光催化材料

5.1 原理

石墨烯是由單層C原子SP2雜化堆積而成的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，具有較大的比表面積和突出的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能。研究表明石墨烯能迅速的轉(zhuǎn)移光生電子，促進(jìn)電子與空穴的分離，具有較大的比表面積與較高的電子遷移率，可以用于合成高效復(fù)合光催化劑[5]。

5.2 制備

Zhuang Jiang等[6]人通過(guò)水熱法合成這種光催化材料，發(fā)現(xiàn)在石墨烯的存在下Bi2WO6的潔凈度會(huì)降低，比表面積減小，進(jìn)而改變Bi2WO6的光催化性能，還發(fā)現(xiàn)石墨烯與Bi2WO6之間形成了W-O-C鍵，提高了光生載流子的遷移速率。王萍等人通過(guò)沉淀法制備得到了花狀石墨烯-Bi2WO6復(fù)合光催化材料，發(fā)現(xiàn)石墨烯的含量在0.1wt%～ 0.5wt%時(shí)，石墨烯-Bi2WO6復(fù)合光催化材料對(duì)甲基橙的降解率有加強(qiáng)。當(dāng)石墨烯的含量進(jìn)一步增加時(shí)，光催化效率有所下降，但仍然比純Bi2WO6的光催化效率高，可見(jiàn)石墨烯復(fù)合Bi2WO6光催化材料確實(shí)可以提高對(duì)有機(jī)物的光催化分解效率。

6 結(jié)論與展望

本文介紹了一種新型光催化劑Bi2WO6的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)以及對(duì)其光催化性能的改進(jìn)方法。Ag-Bi2WO6復(fù)合光催化材料由于有金屬離子的摻雜使其載流子復(fù)合率降低，從而提高其光催化性能，制備Ag-Bi2WO6光催化劑的常見(jiàn)方法有溶膠-凝膠法，水熱法等;g-C3N4復(fù)合Bi2WO6光催化材料可以拓寬Bi2WO6光催化材料的能帶響應(yīng)范圍，從而提高其光催化效率，制備這種光催化材料可以采用一般的制備半導(dǎo)體復(fù)合光催化材料的方法，如水熱法等;共摻雜Bi2WO6光催化材料通過(guò)多物質(zhì)共同摻雜，整體材料的光響應(yīng)范圍得到提升，常見(jiàn)的制備方法有水熱法、溶膠—凝膠法等;石墨烯復(fù)合Bi2WO6光催化材料通過(guò)發(fā)揮石墨烯的作用，使其對(duì)可見(jiàn)光的響應(yīng)范圍變寬，常見(jiàn)的制備方法有水熱法等。

近年來(lái)，光催化材料由于其獨(dú)特的重要性一直被人們重點(diǎn)研究，其中Bi2WO6由于其適宜的禁帶寬度、較強(qiáng)的氧化還原能力等突出的性能而具有很大潛質(zhì)。光催化技術(shù)走向?qū)嵺`生產(chǎn)的關(guān)鍵即為通過(guò)摻雜其他物質(zhì)對(duì)光催化材料性能進(jìn)行改進(jìn)。但現(xiàn)階段來(lái)說(shuō)人們對(duì)光催化材料摻雜的研究仍然不夠全面，缺乏系統(tǒng)的方法以及科學(xué)的理論體系，這直接導(dǎo)致了Bi2WO6系列光催化劑無(wú)法大規(guī)模投入工業(yè)生產(chǎn)，無(wú)法商業(yè)化，阻礙了對(duì)其的研究開(kāi)發(fā)進(jìn)展。所以，在今后的研究開(kāi)發(fā)中，要加大對(duì)理論的研究力度，加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的重視程度，找到最科學(xué)有效的改進(jìn)方案，使光催化技術(shù)廣泛應(yīng)用于人們的生活。

參考文獻(xiàn)

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