溶剂热法合成BiVO4晶体及光催化性能的研究

摘要

BiVO4作为一种非钛基的半导体可见光光催化剂，禁带宽度2.4 eV（单斜相），因此受到了人们的广泛关注。本论文通过溶剂热法合成了单斜结构BiVO4光催化剂，并利用X射线衍射分析（XRD）、场发射扫描电镜（FESEM）对样品的相结构、微观形貌进行了表征，通过光催化降解亚甲基蓝模型测试样品的光催化活性；研究探讨了热处理温度、时间、表面活性剂及表面活性剂用量等因素对产物相结构、微观形貌和光催化活性的影响。结论如下：
　　1.热处理时间为20h，OM/P（OM、P分别为油胺和前驱体的物质的量,P值固定）为0.8，温度为140-200℃时，溶剂热法合成的产物是单斜白钨矿结构的BiVO4；随着温度的升高，晶体结晶度提高，微观形貌由不规则的纳米颗粒转化为纳米棒状；180?C得到单斜相BiVO4且具有良好的可见光催化活性。
　　2.当热处理温度为180℃，OM/P为0.8，时间为10-40h时溶剂热法所制备样品为单斜白钨矿结构BiVO4；较短的时间不利于形成结晶性好的晶体，随着热处理时间的延长，晶体结晶度增加，时间为20h时，晶体生长基本停止；当时间为20h时，光催化活性相对较好。
　　3.当热处理时间为20h，温度为160℃，油胺和前驱体的摩尔比值OM/P为0.4-2.0时，采用溶剂热法合成材料为单斜白钨矿结构的BiVO4，油胺有助晶体生长的作用，油胺量增多，晶体结晶度增大，晶体微观形貌发生变化，由纳米点转变为纳米球；OM/P为1.2时，光催化活性相对较高。
　　4.采用溶剂热法合成热处理时间为20h，温度为160℃，不同OM/OA（OM、OA分别为油胺和油酸的物质的量,油酸物质的量固定）值的样品。当油酸单独存在的条件下，溶剂热合成产物为四方白钨矿结构的BiVO4，随着OM/OA值的增大，晶体结构从四方白钨矿结构逐步过渡到单斜白钨矿结构，样品微观形貌由团聚的不规则的小晶粒转变成为由小晶粒组成的特殊的纳米束状颗粒。由于混晶效应，BiVO4单斜相和四方相结构混合光催化活性比较高。
　　5.保持相转移钒元素的工艺过程不变，采用乙二醇乙醚和醋酸溶解硝酸铋合成了不同工艺条件下的BiVO4,结果表明：当热处理温度为160-200℃时，时间为20h、OM/P为0.8时所合成的产物在主晶相为四方白钨矿结构的BiVO4晶体，并含有少量的四方结构的Bi4V2O11杂质；温度为160℃，OM/P为0.8,时间为20-40h以及温度为160℃，热处理时间为20h，OM/P为0.8-2.0时合成的样品结构均为为四方白钨矿结构的BiVO4晶体，同时引进了少量的Bi4V2O11杂质。
　　与普通溶剂热法相比，合成材料过程中，本文增加了将所需元素从水相中转移到有机相的相转移过程，充分利用前驱体物质在非极性溶剂中较低的化学活性，制备出了不同结构和光催化活性较好的BiVO4晶体，并对样品光催化机理进行了分析和探讨。