Bi5O7I納米片制備及其可見光催化降解苯酚性能研究

鄧文星 楊龔燕 馬雪康 古應(yīng)敏 秦饒 李建偉

摘 要：本文采用方沉淀法制備出了Bi5O7I納米片，利用XRD、SEM、UV等技術(shù)對其成分、形貌及光催化性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明制備的Bi5O7I納米片對苯酚水溶液表現(xiàn)出優(yōu)異的可見光催化性能。其源于制備的Bi7O5I具有較好的結(jié)晶性，二維納米片結(jié)構(gòu)且在一定可見光范圍具有較好的光吸收性能。

關(guān)鍵詞：Bi5O7I納米片 苯酚 光催化

引言

科技日新月異，在社會工農(nóng)業(yè)得到迅猛發(fā)展與人類生活水平得到快速提高的同時(shí)，人們賴以生存的水資源污染地日益嚴(yán)重，對社會的生態(tài)平衡和人類的生產(chǎn)生活及健康已經(jīng)造成十分嚴(yán)重的威脅。當(dāng)前，工業(yè)和生活廢水成分更加復(fù)雜，含有許多毒性和難降解有機(jī)污染物，如酚、氯苯酚與多氯聯(lián)苯等化合物;傳統(tǒng)處理污水的物理法、化學(xué)法與生物法等方法具有高能耗、成本高、處理不徹底且二次污染等問題，因此需要發(fā)展具有節(jié)能、環(huán)保和低成本的新技術(shù)用于水污染治理。

太陽能是一種重要的可再生能源，具有對環(huán)境友好，無污染、用之不竭等優(yōu)點(diǎn);因此發(fā)展能夠利用太陽能的新型環(huán)境污染治理技術(shù)，從未來前瞻性都受到各界密切關(guān)注。半導(dǎo)體光催化是在太陽光照下光催化劑能夠把污染物降解為二氧化碳和水等無害小分子技術(shù)。降解徹底、對污染物沒有選擇性、無二次污染、能耗低、催化劑可以重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)，有望成為21世紀(jì)水環(huán)境污染治理最有效的方法之一。由于TiO2化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、難溶無毒且成本低，成為光催化處理污水的重要研究對象。然而其較大的光學(xué)帶隙（約3.32eV）且光生電子空穴對易復(fù)合等問題，導(dǎo)致降解有機(jī)廢水率低[1，2]。因此十分有必要發(fā)展新的可見光催化劑。

基于此，本文采用簡單的沉淀法制備出了Bi5O7I納米片，以苯酚的水溶液為污染物研究其光催化性能，并根據(jù)其光學(xué)帶隙對其光催化機(jī)理進(jìn)行分析。

一、制備與表征

1.Bi5O7I納米片的制備

實(shí)驗(yàn)過程中所用試劑均為分析純， 購買后直接使用。 制備過程具體操作如下：將20 ml 醋酸加入盛有70 ml純水燒杯中且攪拌使其均勻混合，其次添加0.015 mol Bi（NO3）·5H20，攪拌得到透明的溶液，再次加入0.015 mol KI 加入上述溶液中，繼續(xù)攪拌12h，靜置得到白色沉淀，并在80 °C下干燥12 h，最后以2 °C/min升溫到500 °C煅燒2 h，得到Bi5O7I納米片。

2.催化劑的表征

樣品的物相用X射線用衍射儀Bruker D8 Advance 型（德國），λ = 1.5418 ?， Cu Kα射線，掃描范圍為10°-70°。用JSM-6510型（日本）掃描電子顯微鏡（SEM）觀察樣品形貌。樣品的紫外-可見（UV-Vis）吸收光譜及光催化性能在Evolution 220 UV-Vis型（美國熱電）紫外-可見分光光度計(jì)上測試， 以 BaSO4與純水為參照。

3.光催化降解實(shí)驗(yàn)

光催化反應(yīng)在 TK-GHX型（鄭州）光化學(xué)反應(yīng)儀中進(jìn)行，500 W 氙燈作為光源。反應(yīng)進(jìn)行時(shí)，用石英冷阱使得冷阱和反應(yīng)器中的溫度保持恒定在（20±1）℃.取樣品20mg放入到10mg/1L的 80 mL苯酚水溶液試管中，先暗反應(yīng) 1 h達(dá)到吸附平衡。每間隔10分鐘抽取3 mL反應(yīng)液用紫外可見光度計(jì)進(jìn)行測量溶液的紫外可見吸收，根據(jù)比爾定律進(jìn)行定量分析樣品的光催化效果。

二、結(jié)果與分析

1.結(jié)構(gòu)與形貌表征

圖1（a）是預(yù)制備樣品的XRD圖。從XRD圖譜中可以看出樣品的衍射峰與Bi7O5I的標(biāo)準(zhǔn)卡（JCPDS No.3-733標(biāo)準(zhǔn)卡）對應(yīng)，沒有其他雜質(zhì)的衍射峰，說明樣品為純相的Bi7O5I。衍射峰相對強(qiáng)度較大且半峰寬度較小，表明樣品具有較好的結(jié)晶度，其有利于光生電子空穴對分離。圖1（b）是預(yù)制備Bi7O5I的SEM圖，從圖中可以看出預(yù)制備Bi7O5I樣品是單一的納米片結(jié)構(gòu)，尺度比較均勻，厚度約為100 nm，且分散性好;二維納米片結(jié)構(gòu)使預(yù)制備的Bi7O5I不但具有較大比表面積，而且可能會有更多的光催化活性位點(diǎn)被暴露，進(jìn)而提高樣品的光催化性能[3]。

2.光催化活性測試與UV分析

圖2（a）是在可見光照射下，Bi7O5I納米片對苯酚的水溶液中的苯酚降解率與時(shí)間的關(guān)系。 從圖2（a）表明隨著時(shí)間增加，降解率增加，光照100 min 時(shí)，降解率達(dá)到99%，說明Bi7O5I納米片是優(yōu)良的可見光催化劑。光催化劑的光催化性能與其禁帶寬度及吸收光譜性能密切相關(guān)[4]，因此對Bi7O5I納米片做了紫外-可見分光吸收實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖2（b）。從圖2中可以看出Bi7O5I納米片不僅在紫外光區(qū)間表現(xiàn)出很強(qiáng)吸光收性能，而且在380nm-450nm 可見光范圍也具有較強(qiáng)吸收，吸收邊約為450 nm左右，光學(xué)禁帶寬度約為2.76eV，相對二氧化鈦具有小于光學(xué)禁帶寬度，因此具有相對比較優(yōu)異可見光催化性能。

三、結(jié)論

利用沉淀法成功地制備了Bi7O5I納米片，并且其表現(xiàn)出優(yōu)異可見光催化性能，并且基于XRD、SEM與紫外-可見吸收光譜結(jié)果對其光催化性能進(jìn)行了分析。其優(yōu)異光催化性能源于制備的Bi7O5I具有較好的結(jié)晶性，二維納米片結(jié)構(gòu)且在一定可見光范圍具有較好的光吸收性能。

參考文獻(xiàn)

[1]段芳，張琴，魏取福，施冬健，陳明清.? 鉍系半導(dǎo)體光催化劑的光催化性能調(diào)控[J]，化學(xué)進(jìn)展. 2014，（26）30-40.

[2]張金水，王博，王心晨.氮化碳聚合物半導(dǎo)體光催化[J]，2014， （26）19-29.

[3]余長林，操芳芳，舒慶，包玉龍，謝志鵬，YU Jimmy C，楊 凱[J]，物理化學(xué)學(xué)報(bào). 2012，（28）： 647-653.