硼、钕掺杂Bi2O3光催化剂的制备及其光催化性能评价

摘要

染料废水是工业废水的重要组成部分之一，中国是染织大国，染料废水排放量巨大，其中含有的偶氮、芳香类化合物、重金属等成分对生物体有毒害作用，并且由于其高色度、高COD，可生物降解性差等，使染料废水的处理技术普遍成本高，处理效果较差。因此，选用高效节能的污水处理方法来处理染料废水是目前的研究方向。
　　光催化处理污水技术因其高效、节能且不产生二次污染的优点而受到了环境工作者的追捧。Bi2O3是P型半导体其带隙能为2.8eV，氧空位多，光生电子和空穴分离能力强，使得它能在自然光下光响应迅速，氧化能力强，对太阳光利用率高而受到人们的关注。成为当今最理想的光催化材料之一。为了获得活性更高的催化剂，本文采用溶胶-凝胶法制备了B掺杂改性的Bi2O3光催化剂，Nd3+掺杂改性的Bi2O3光催化剂，硼、钕共掺杂改性的Bi2O3光催化剂，并详细分析了样品的结构与性质，系统考查了其光催化性能。具体研究内容如下：
　　（1）采用溶胶-凝胶法制备了B掺杂改性的Bi2O3光催化剂，分别从B的掺杂量和烧结时间两个方面考察其对催化剂的催化活性的影响。采用TEM、HRTEM、XRD、Raman、FT-IR、UV-Vis DRS等表征手段对其进行分析。分析结果表明：硼掺杂并没有引起Bi2O3晶体结构的转变，样品以单一的α-Bi2O3形式存在，但Bi4B2O9的生成在一定程度上抑制了晶体的生长，进而促进了电子-空穴的有效分离，提升了光催化活性。灼烧时间也不会改变Bi2O3的晶体结构，但是能够影响Bi4B2O9的生成，促进晶体的生长，使催化剂的颗粒增大，影响催化剂的催化效果。当n(B):n(Bi)=0.08时500℃煅烧1h样品的光催化活性最大。
　　（2）采用溶胶-凝胶法制备了Nd3+掺杂改性的Bi2O3光催化剂，分别从Nd的掺量和烧结时间两个方面考察其对催化剂的催化活性的影响。采用TEM、SAED、XRD、Raman、FT-IR、UV-Vis DRS等表征手段对其进行分析。分析结果表明：Nd与Bi的比例、灼烧时间对光催化剂的晶系、光吸收性能等有一定影响。最佳制备条件为 n(Nd):n(Bi)=0.01，煅烧温度为500℃，灼烧时间1 h。最佳制备条件下的样品为四方晶系β-Bi2O3，吸收边带约600 nm，禁带宽度2.45 eV，经过4h可见光光催化反应，对甲基橙的降解率高达89.7％。
　　（3）采用溶胶-凝胶法制备了B掺杂改性的Nd-Bi2O3光催化剂，从B的掺量考察其对Nd-Bi2O3催化剂的催化活性的影响。采用TEM、SAED、XRD、Raman、FT-IR、UV-Vis DRS等表征手段对其进行分析。分析结果表明：硼、钕共掺杂的氧化铋样品由单一的单斜α-Bi2O3或单一的四方晶相β-Bi2O3转变为α-Bi2O3和β-Bi2O3共存的状态，伴随形成一系列的的复合氧化物与α-Bi2O3和β-Bi2O3形成异质结构或固溶体结构，从而抑制了样品的晶粒生长与团聚，有效的减小了样品的晶粒尺寸，同时可以形成电子捕获中心，有效的提高光催化活性。综上，当B掺杂量为2%时，在500℃煅烧1h的Nd-Bi2O3光催化剂的催化活性最高。