Bi2WO6光催化剂的制备及其光催化性能研究

沈俊玲

（哈尔滨师范大学，黑龙江哈尔滨150025）

Bi2WO6光催化剂的制备及其光催化性能研究

沈俊玲

（哈尔滨师范大学，黑龙江哈尔滨150025）

采用水热法制备Bi2WO6，探究pH值对Bi2WO6光催化性能的影响。利用X-射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）等对Bi2WO6光催化剂的结构及形貌进行了表征，并研究了Bi2WO6光催化剂对4-CP溶液的降解性能。

Bi2WO6；光催化剂；制备；4-CP

近年来，环境污染问题越来越严重，利用半导体光催化氧化技术降解染料废水及空气中有机污染物的研究受到了科研工作者的广泛关注[1，2]。关于光催化的研究，可以追溯到1972年，Fujishima和Honda在《Nature》上关于TiO2电极光解水制取H2的报道,使人们开始关注光催化这一新型的研究领域。Bi2WO6作为新型可见光催化剂的出现，似乎让人们看到了希望。

Bi2WO6作为一种具有片层状结构的半导体，具有2.7eV左右的禁带宽度，比TiO2的3.2eV的禁带宽度更窄，是一种比TiO2可见光响应能力强的新型光催化材料。利用Bi2WO6对有机污染物进行光催化降解，生成简单、无毒产物正逐渐成为工业化技术，这为环境污染的消除开辟了广阔的前景。自从Kudo和Hijii[3]报道了Bi2WO6能够在AgNO3溶液中光催化产生O2后，Bi2WO6的光催化性能受到了广泛关注。Tang等[4]采用高温固相法制备得到的Bi2WO6，随后也在研究中发现Bi2WO6具有光催化性，但合成出的Bi2WO6光催化效率低。Zhang等[5]借助水热法，在比较低的温度下合成了Bi2WO6颗粒，并以罗丹明B为降解物，研究了其光催化活性，发现Bi2WO6具有较好的光催化性能。

本文采用水热法来制备Bi2WO6，研究了不同pH值对Bi2WO6的形貌及其光催化活性的影响。该材料具有较好的光催化性能，能够在太阳光下有效光催化降解有机污染物。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Bi（NO3）3·5H2O（天津市致远化学试剂有限公司）；Na2WO4·2H2O（天津市科密欧试剂有限公司）；四氯酚（天津市光复精细化工研究所）；浓HNO3（哈尔滨化工化学试剂厂）。

氙灯（500W上海蓝晟电子有限公司）；UV-2550紫外/可见分光光度计（日本岛津公司）。

1.2 Bi2WO6光催化剂的制备

将Bi（NO3）3·5H2O和Na2WO4·2H2O分别按摩尔比2∶1的比例称取，Bi（NO3）3·5H2O溶于稀硝酸，Na2WO4·2H2O溶解在NaOH溶液中，将Na2WO4·2H2O溶液逐滴加入Bi（NO3）3·5H2O溶液中，用NaOH溶液调节混合物的pH值，搅拌1h使之混合均匀，随后将适量的混合物移入到容积为50mL的水热反应釜中。以恒温干燥箱为加热源，控制水热温度为160℃，保温12h后，常温下冷却。最后将得到的淡黄色沉淀用蒸馏水和无水乙醇分别洗涤3次，于110℃下在真空干燥箱烘干，在450℃下进行煅烧得到Bi2WO6样品。

1.3 材料的表征

采用日本岛津Shimadzu XRD-6000型转靶X射线衍射（XRD）仪对不同pH值样品的结构、组成进行表征，Cu阳极，Kα射线（λ=0.15418nm），管压为50kV，管流为40mA，扫描范围是10°~90°。采用美国FEI公司的Tecnai G2TF20进行（TEM）测试，观察样品的形貌，加速电压为200kV。室温下以光谱纯BaSO4粉末作参比，采用具有积分球附件的日本岛津ShimadzuUV-2550型紫外光分光光度计，在扫描波长为200~800nm范围内，测试样品的紫外-可见漫反射谱（DRS）。

1.4 光催化活性实验

在烧杯中加入0.04g Bi2WO6光催化剂分散于50mL 4-CP（20mg·L-1）溶液，室温下避光磁力，使其建立吸附脱附平衡，溶液的吸光度A0，然后将反应液垂直置于氙灯下光照，采用隔热片和向烧杯夹层通入循环水的的方法使溶液保持室温，1h后取4 mL反应液，高速离心后取上清液，在225nm下用UV-2550紫外光分光光度计测定溶液的吸光度At，以吸光度比（At/A0）代替浓度比（Ct/C0），表征样品的光活性。

2 结果与讨论

2.1 物相分析

图1为水热法制备的Bi2WO6光催化材料的XRD图谱。

图1 水热法制备的Bi2WO6光催化材料的XRD图Fig.1 XRD pattern of Bi2WO6fabricated by hydrothermal method

从图1可以看出，Bi2WO6样品各衍射峰随着pH值的增加，衍射峰强度先增强后减弱，在pH值为3、5、7时，各衍射峰位置与标准卡片（39-0256）基本一致，且曲线在pH值为7时，衍射峰最清晰尖锐，说明该样品结晶度较高，晶型发育完整，可能具有强的光催化性能。而衍射曲线在pH值为9时出现较强杂峰，各衍射峰位置与标准卡片（43-0447）基本一致，说明所合成的催化剂为钨铋氧化物Bi3.84W0.16O6.24，由此可以看出，在碱性环境下不利于Bi2WO6的合成。

2.2 Bi2WO6光催化材料形貌表征

图2为pH值为7时制备的Bi2WO6光催化材料的TEM照片。

图2 pH值为7时的Bi2WO6光催化材料的TEM照片Fig.2 TEM pattern of Bi2WO6at the pH values is 7

从图2中可以看出，制备的Bi2WO6粒径呈片状不均匀分布，直径约为100~120nm。这可能是由于水热制备时间较长，又加以焙烧的过程，使Bi2WO6光催化材料的生长充分，致使粒径较大。图2b中插图为该物质的选区，说明合成的样品为单晶结构。

2.3 Bi2WO6光催化材料的XPS分析

图3为pH值为7时制备的Bi2WO6光催化材料的XPS谱。

图3是Bi2WO6纳米颗粒的XPS图谱。

图3 Bi2WO6纳米颗粒的XPS图谱Fig.3 XPS spectra of the Bi2WO6:（a）Bi 4f,（b）W 4f,（c）O 1s.

由图3a可知，Bi元素主要呈现+3价,图3b中W元素呈现+6价。图3c对氧元素的峰拟合发现近表面区域的氧至少有两种化学态。这说明样品中确实是存在一定量的氧空位缺陷，因为氧空位是一种比较活泼的基团，它能够促进样品从气相中吸附氧气，使样品表面出现一定量的吸附氧。

2.4 Bi2WO6光催化材料的UV-vis吸收光谱分析

图4为不同pH值下的Bi2WO6光催化材料的UV-vis吸收光谱分析。

图4 不同pH值下的Bi2WO6光催化材料的UV-vis吸收光谱分析Fig.4 UV-vis absorbance spectra of Bi2WO6at different pH values

从图4可知，当pH值为3，5，7时，合成的Bi2WO6呈同一吸收规律，Bi2WO6对于可见光较强的吸收能力被归因于电子从Bi 6s与O2p形成的杂化轨道向W 5d轨道跃迁形成的。样品的吸收波长为460nm左右，且当pH值为7时比pH值为3和5时红移，且当pH值为9时，生成的Bi3.84W0.16O6.24出现了明显的红移。

2.5 Bi2WO6光催化材料的光催化性能研究

图5为Bi2WO6在不同pH值下的光催化活性。

图5 Bi2WO6在不同pH值下的光催化活性Fig.5 Photocatalytic activity of Bi2WO6preparedat different pH values

图5为Bi2WO6在不同pH值下水热160℃反应12h，并在450℃下焙烧2h的光催化活性。由图5可以看出，随着pH值的增大，光催化活性呈先上升后下降的趋势，且在pH为7时由于晶型发育完整，结晶度高而使光催化活性最高，在中性环境下合成的光催化剂符合绿色环保光催化剂的要求。

3 结论

本文以Bi（NO3）3和Na2WO4作为反应原料，采用水热法来制备Bi2WO6，并研究了不同pH值对Bi2WO6的形貌及其光催化活性的影响。并利用XRD、TEM表征手段对样品的结构和形貌进行表征，探讨了不同pH值对结构和光催化性能的影响，得到如下结果：

（1）pH值对合成Bi2WO6粉体的物相及形貌有显著影响。发现pH值为7时晶型发育完整，结晶度高，pH值为9时合成的粉体的物相转变成Bi3.84W0.16O6.24。

（2）光催化反应60min条件下，在pH值为7合成的薄片状Bi2WO6粉体的光催化活性最好。

［1］Tong H,Ouyang S X,Bi Y P,et al.Nano-photocatalytic materials: possibilities and challenge［J］.Advanced Materials,2012,24（2）: 229-251.

［2］XuJ H,WangW Z,SunS M,et al.Enhancingvisible-light-induce photocatalytic activity by coupling with wide-band-gap semiconductor:acasestudyonBi2WO6/TiO2［J］.AppliedCatalysisB:Environmental,2012,111（1）:126-132.

［3］KudoA,Hijii S,H2or O2evolution fromaqueous solutions on layeredoxidephotocatalystsconsistingof Bi3+with6s（2）configuration and d（0）transition metal ions［J］.Chem.Lett.,1999,28（10）: 1103-1104.

［4］TangJ W,ZouZ G,YeJ H.Photocatalytic decompositionof organic contaminants by Bi2WO6under visible light irradiation［J］.Catal. Lett.,2004,92（1-2）:53-56.

［5］ZhangS C,ZhangC,ManY,et al.Visible-light-drivenphotocatalyst of Bi2WO6nanoparticles preparedviaamorphous complex precursorandphotocatalyticproperties［J］.SolidStateChem.,2006,179: 62-69.

Preparation and photocatalytic properties of Bi2WO6photocatalyst

SHEN Jun-ling
（Harbin Normal University,Harbin 150025,China）

Bi2WO6were fabricated by hydrothermal synthesis,and explore the effect of pH on Bi2WO6photocatalytic properties.The structure and morphology of Bi2WO6photocatalyst were investigated by XRD and TEM. The properties of the photocatalytic degradation of Bi2WO6photocatalyst on 4-CP were also studied.

Bi2WO6；photocatalyst；preparation；4-CP

O614文献识别码：A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20161272

2016-10-14

沈俊玲（1992-），女，在读硕士研究生，主要从事纳米环境功能材料研究。