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        兩步法制備BiVO4/C3N4復合物的光催化行為研究

        2020-07-20 08:31:02蔣方露朱紅慶賴江濤蒲春花陳慶淬楊靜靜
        山東化工 2020年12期
        關(guān)鍵詞:禁帶羅丹明光生

        彭 令,蔣方露,朱紅慶,賴江濤,蒲春花,陳慶淬,楊靜靜,*

        (1.重慶化工職業(yè)學院 環(huán)境與質(zhì)量檢測學院,重慶 401228;2.西南大學資源環(huán)境學院,重慶 400715)

        環(huán)境污染問題對人類自身的生存與發(fā)展構(gòu)成了嚴重的威脅?,F(xiàn)代工業(yè)廢水的不達標排放等問題,使得本來已極少的淡水資源加劇短缺,其中在工業(yè)廢水中占比較大的印染廢水更是對生態(tài)破壞嚴重。采用無毒廉價、反應速度快、降解效率高的半導體光催化氧化技術(shù),是解決印染廢水所帶來的環(huán)境污染問題的可行途徑之一。太陽光中紫外光所占的比例約為5%,而可見光所占比例達到43%,因此開發(fā)可見光響應的催化劑能顧更大程度的利用太陽光,因此也成為近年來的研究熱點。

        BiVO4的禁帶寬度只有2.4eV,能夠響應可見光,并且具有無毒低成本、化學穩(wěn)定性好、價帶位置較低即具有較強的氧化能力等特點,成為常用的可見光催化劑[1]。但其單獨使用時,在光催化反應過程中光生載流子的分離效率不高,因此限制了其光催化性能的發(fā)揮。目前,常采用的提高光生載流子分離效率的方法有負載貴金屬Pt[2]、Ag[3]等助催化劑;與石墨烯復合,比如BiVO4/GO[4]、BiVO4/RGO[5];與其他半導體復合,比如BiVO4/SiC[6]、BiVO4/TiO2[7]、BiVO4/ZnO[8]等。其中與其他半導體復合形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠提高光生電子和空穴的分離效率,并且能夠利用兩種半導體各自的優(yōu)勢。

        g-C3N4是2008年由wang[9]等人發(fā)現(xiàn)的一種新型的聚合物半導體光催化劑。一經(jīng)問世就引起了光催化領(lǐng)域的高度關(guān)注。它的禁帶寬度為2.7eV,也能響應可見光,其通過對尿素、三聚氰胺等直接煅燒即可得到,制備方法簡單,成本較低,并且本身無毒,是一種非常理想的光催化劑。g-C3N4具有與BiVO4匹配的導帶和價帶位置,并且其導帶位置很高,導帶上的光生電子具有較強的還原能力。兩者復合恰好能發(fā)揮兩者各自的優(yōu)勢。

        因此本工作采取兩步法制備得到BiVO4/C3N4復合物,并研究其對RhB染料廢水的降解能力。

        1 材料與方法

        1.1 所用材料與試劑1.2 催化材料的制備

        BiVO4的制備:移取50mL濃度為0.5mol/L的偏釩酸銨溶液于燒杯中,逐滴滴加50 mL濃度為0.5mol/L的硝酸鉍溶液,用1+1氨水調(diào)節(jié)pH值=4,在水浴鍋中90℃保持3h,冷卻至室溫后抽濾,置于80℃烘箱中干燥1h,待用。

        BiVO4/C3N4的制備:分別稱取三份質(zhì)量為0.02g上述BiVO4于研缽中,再分別加入1,2,4g三聚氰胺,研磨均勻后置于坩堝中,在箱式電阻爐中550℃灼燒2h,保持升溫速度為5℃/min,灼燒后得到的固體標記為BiVO4/C3N4-x (x=50,100,200,即m(三聚氰胺)/m(BiVO4))。

        1.3 光催化降解RhB

        稱取0.01g催化劑超聲分散于100mL 濃度為20 mg/L的RhB溶液中,在磁力攪拌下暗反應10min,加入0.5 mL雙氧水,開啟氙燈(帶有420nm的截止濾光片)光照60min,每隔10 min取樣,用T6新世紀紫外可見分光度計在波長554nm下進行測試。

        1.4 材料的表征

        采用X射線衍射(XRD)測定材料的物相,材料的微觀結(jié)構(gòu)形貌通過掃描電子顯微鏡(SEM)進行觀察,材料的能帶結(jié)構(gòu)通過紫外可見漫反射光譜(UV-Vis DRS)來進行測定。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 光催化降解羅丹明B行為

        圖1 不同樣品對RhB的光催化效果

        全部催化劑對RhB的光催化降解效果見圖1。由圖1可見,BiVO4和C3N4在60min內(nèi)對RhB的降解率為25%和32%,復合物對RhB的降解率要高于單獨的BiVO4和C3N4,Bi-C-50,Bi-C-100,Bi-C-200復合物對RhB的降解率分別達到76%,82%,63%。Bi-C-100的光催化降解RhB的能力最強,降解率達到純BiVO4和純C3N4對羅丹明B的3.3倍和2.6倍??梢娫诖藰悠分?,兩者的復合物達到最佳的復合比例。

        2.2 材料表征

        圖2 所有材料的XRD圖譜

        圖2是所有材料的XRD圖譜。由圖2可見,BiVO4是單斜晶型。在13°和27°處對應C3N4的衍射峰,在復合物中都能看到BiVO4和C3N4的衍射峰,說明復合物得到成功制備。從Bi-C-50,Bi-C-100到Bi-C-200,C3N4的相對含量不斷增加,C3N4的衍射峰也在相對增高。

        圖3 催化劑的DRS圖譜

        圖3是所有材料的DRS圖譜。BiVO4的吸收邊在508 nm,可以得出其禁帶寬度為2.44 eV,C3N4的吸收邊在461 nm,可以得出其禁帶寬度為2.69 eV。復合物的吸收邊在純BiVO4和C3N4的吸收邊之間。可見,所有材料都能響應可見光,禁帶寬度介于2.44和2.69 eV之間。

        圖4 Bi-C-100的SEM圖

        復合物Bi-C-100的微觀結(jié)構(gòu)如圖4所示。暗色的塊體部分是C3N4,亮白色的顆粒是BiVO4,兩者形成了良好的接觸。這能夠使得光生電子和空穴有效分離,從而提高光催化降解能力。

        3 結(jié)論

        本工作采用兩步法成功制備了不同復合比例的BiVO4/C3N4復合物,與純的BiVO4和C3N4相比,復合物對羅丹明B的光催化降解能力得到大幅提升,其中Bi-C-100型BiVO4/C3N4復合物在60min內(nèi)催化降解初始濃度為20mg/L羅丹明B溶液,其降解率達到82%,分別為BiVO4和C3N4的3.3倍和2.6倍。在此復合物中,兩者達到最佳的復合比例,形成了良好的接觸,有利于光生電子和空穴的分離,從而提高了光催化降解能力。

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