微波水热法制备钒酸铋粉体及其光催化性能的研究

摘要

随着半导体光催化技术的发展,钒酸铋以其优越的化学性质引起了学者的极大兴趣。科学家们致力于开发其在催化降解污染物领域的潜力,尤其是在可见光下的光催化活性。钒酸铋的禁带宽度约为2.3-2.4eV,氧化电位位于2.4eV附近,理论上可以实现在可见光下的污染物进行降解。
　　 本论文采用微波水热法通过调节前驱液碱浓度、反应温度以及pH值等制备纯相BiVO4光催化剂:通过金属Cu2+进行掺杂,制备Cu/BiVO4催化剂;采用微波水热一步合成法将TiO2与BiVO4复合,制得光催化剂TiO2/BiVO4复合光催化剂来改善钒酸铋的光催化活性。制备钒酸铋薄膜,解决了光催化剂的负载问题。采用XRD、SEM、BET及UV-Vis分析样品的物相、形貌、比表面积、光吸收能力,考察不同粉体的光催化活性,得到以下结论:
　　 1采用微波水热法,以Bi(NO3)3·5HO和NH4VO3为原料,通过调节前驱液中NaOH的浓度可以控制合成单斜相、单斜与四方混晶相BiVO4粉体。Bi(NO3)3·5H2O和NHVO3分别溶于纯水获得的粉体是单斜相和四方相BiVO4的混晶。分别溶于HNO3和NaOH溶液时制得粉体为纯单斜相BiVO4,随着NaOH增加到4mol/L时又出现鱼排骨结构的单斜相和四方相BiVO4的混晶。单斜相和四方相共混的BiVO4粉体光催化活性优于纯单斜相BiVO4粉体的光催化活性。
　　 2以Bi(Noa)3·5H2O和NH4VO3为原料,水为溶剂,反应温度为160-220℃,微波水热法制备了不同晶型的BiVO4粉体。160℃、180℃时合成的粉体为四方相的BiVO4,200℃、220℃时合成粉体为四方相和单斜相BiVO4的混相。160℃合成的BiVO4粉体为絮状结构团聚而成的球形,比表面积为6.33m2/g,在紫外光下100min罗丹明B溶液的降解率为97.8%。
　　 3以Bi(NO3)3·5H2O为铋源,NH4VO3为钒源,HNO3溶液和NaOH溶液为溶剂,通过调控pH合成了纯相BiVO4粉体。pH=1.40-7.04合成的粉体为四方相和单斜相BiVO4混相,当pH增加至10.07时得到纯单斜相粉体。pH=1.40时制备的混晶,在可见光下240min罗丹明B溶液的降解率可达90.0%。pH=10.07时制备的纯单斜相BiVO4光催化降解率为88.2%。pH=3.03、5.04、7.04和12.09制备的粉体的光催化活性随着pH的增加呈现出逐渐减弱的趋势。
　　 4以Bi(NO3)3·5H2O、NH4VO3和Cu(NO3)2·3H2O为原料,浓HNO3溶液和NaOH溶液为溶剂,在200℃微波水热制得了Cu/BiVO4光催化剂。Cu2+的掺入后仍然为单斜晶系白钨矿BiVO4,没有改变BiVO4的晶型结构,Cu2+的掺入可使吸收带红移到550nm左右,增强了Cu/giVO4催化剂的在可见光范围内光吸收作用。掺杂量为2at.%的Cu/BiVO4催化剂在紫外、可见光下的光催化降解罗丹明B的降解率分别为4.5h可达95%、6h到达近90%。
　　 5以Bi(NO3)3·5H2O、NH4VO3和(NH4)2TiF6为原料,HNO3溶液和NaOH溶液为溶剂,在200℃微波水热制得了单斜相BiVO4和锐钛矿相TiO2共存的TiO2/BiVO4复合光催化剂。(NH4)2TiF6的加入,使复合光催化剂吸收阙值在550-560nm,增强了TiO2/BiVO4催化剂的光吸收作用。掺杂20at.%TiO2/BiVO4在紫外、可见光下的光催化降解罗丹明B的降解率分别为5.5h可达85%、6h到达近85%。
　　 6以Bi(NO3)3·5H2O、NH4VO3为钒源,柠檬酸为络合剂,采用溶胶-凝胶法在短波紫外光照射的亲水FTO玻璃衬底上制备BiVO4薄膜,当Bi:V=1:1和1:1.2制得纯单斜相的BiVO4薄膜,Bi:V:1:1.5,为单斜相BiVO4和V4O9复合薄膜,Bi:V=1:0.8时合成Bi2O2.75/BiVO4薄膜。纯相BiVO4薄膜光致发光光谱的发光强度明显高于复合薄膜发光强度。纯相BiVO4薄膜电子和空穴复合率较大,光催化活性较低,Bi2O2-75/BiVO4薄膜在可见光照射300min后罗丹明B降解率可达40%。