铋系光催化纳米材料的制备及其性能研究

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铋系光催化纳米材料的制备及其性能研究

作者：梁芃

来源：《中国科技纵横》2015年第13期

【摘要】能源和环境已成为困扰人类的两大难题，提高能源利用率，污染物降解都成为

当前研究的热点。1972年Nature报道了有关TiO2 能有效地对水进行催化分解产生氢气。钛系由于带隙较宽，在可见光波段没有明显的吸收，之后进行了一系列改性，提高了可见光催化性能。半导体光催化剂大多是n型半导体材料（当前以TiO2使用最广泛）都具有区别于金属或绝缘物质的特别的能带结构，当光子能量高于半导体吸收阈值的光照射半导体时，半导体的价带电子发生带间跃迁，即从价带跃迁到导带，从而产生光生电子（e-）和空穴（h+）。此时吸附在纳米颗粒表面的溶解氧俘获电子形成超氧负离子，而空穴将吸附在催化剂表面的氢氧根离子和水氧化成氢氧自由基。而超氧负离子和氢氧自由基具有很强的氧化性，能将绝大多数的有机物氧化至最终产物CO2和H2O，甚至对一些无机物也能彻底分解。

【关键词】能源环境铋系光催化纳米

1 铋系光催化剂纳米材料的种类

带隙宽度影响吸收，2.8eV为可见光吸收的阈值，而铋系的电子结构导致了其带隙在其之间，理论上有较好的光吸收性能。对于光催化剂，目前的焦点问题在于如何提高光生电子效率和抑制电子空穴的复合，因此，必须采取合适的措施来提高铋系催化剂的光生载流子速率，抑制光生电子-空穴复合，增强对可见光的吸收。目前已经报道的铋系半导体光催化剂主要包括：氧化铋，卤氧化铋，铋的含氧酸盐（包括钒酸铋，钨酸铋、钼酸铋、钛酸铋等）以及一些复合型含铋催化剂等。材料de纳米化已成为科学家广泛认可的一种提升材料性能的途径。合成纳米材料的方法多种多样，其中有原位生长，溶胶凝胶，气相沉积等等，其中水热法对于使用水作为溶剂并可控生长有独特的优势，水热结晶主要是溶解—再结晶机理。首先营养料

在水热介质里溶解，以离子、分子团的形式进入溶液。利用强烈对流（釜内上下部分的温度差而在釜内溶液产生）将这些离子、分子或离子团被输运到放有籽晶的生长区（即低温区）形成过饱和溶液，继而结晶。水热法生产的特点是粒子纯度高、分散性好、晶形好且可控制，生产成本低。用水热法制备的粉体一般无需烧结，这就可以避免在烧结过程中晶粒会长大而且杂质容易混入等缺点。

2 钨酸铋纳米材料介绍

钨酸铋是铋系光催化剂中的代表，其具有典型的钙钛矿结构，其中铋氧为层状结构，

WO42-穿插在层状结构之间同样构成层状结构。同时氧与钨构成八面体结构，铋离子处于之间八面体组成的空隙八面体之间，由于这种特殊结构，对于其结晶时会形成一定的结晶取向，通常是111晶面裸露，后续的实验证明111面对其催化性能尤其对于分离光生电子和空穴有很大的促进作用。不同的钨酸铋的合成方法做出来的最佳的煅烧温度是不一样的，一般的固态法做