两步法制备BiVO4/C3N4复合物的光催化行为研究

彭 令，蒋方露，朱红庆，赖江涛，蒲春花，陈庆淬，杨静静,*

(1.重庆化工职业学院 环境与质量检测学院，重庆 401228;2.西南大学资源环境学院，重庆 400715)

环境污染问题对人类自身的生存与发展构成了严重的威胁。现代工业废水的不达标排放等问题，使得本来已极少的淡水资源加剧短缺，其中在工业废水中占比较大的印染废水更是对生态破坏严重。采用无毒廉价、反应速度快、降解效率高的半导体光催化氧化技术，是解决印染废水所带来的环境污染问题的可行途径之一。太阳光中紫外光所占的比例约为5%，而可见光所占比例达到43%，因此开发可见光响应的催化剂能顾更大程度的利用太阳光，因此也成为近年来的研究热点。

BiVO4的禁带宽度只有2.4eV，能够响应可见光，并且具有无毒低成本、化学稳定性好、价带位置较低即具有较强的氧化能力等特点，成为常用的可见光催化剂[1]。但其单独使用时，在光催化反应过程中光生载流子的分离效率不高，因此限制了其光催化性能的发挥。目前，常采用的提高光生载流子分离效率的方法有负载贵金属Pt[2]、Ag[3]等助催化剂；与石墨烯复合，比如BiVO4/GO[4]、BiVO4/RGO[5]；与其他半导体复合，比如BiVO4/SiC[6]、BiVO4/TiO2[7]、BiVO4/ZnO[8]等。其中与其他半导体复合形成的异质结构能够提高光生电子和空穴的分离效率，并且能够利用两种半导体各自的优势。

g-C3N4是2008年由wang[9]等人发现的一种新型的聚合物半导体光催化剂。一经问世就引起了光催化领域的高度关注。它的禁带宽度为2.7eV，也能响应可见光，其通过对尿素、三聚氰胺等直接煅烧即可得到，制备方法简单，成本较低，并且本身无毒，是一种非常理想的光催化剂。g-C3N4具有与BiVO4匹配的导带和价带位置，并且其导带位置很高，导带上的光生电子具有较强的还原能力。两者复合恰好能发挥两者各自的优势。

因此本工作采取两步法制备得到BiVO4/C3N4复合物，并研究其对RhB染料废水的降解能力。

1 材料与方法

1.1 所用材料与试剂1.2 催化材料的制备

BiVO4的制备：移取50mL浓度为0.5mol/L的偏钒酸铵溶液于烧杯中，逐滴滴加50 mL浓度为0.5mol/L的硝酸铋溶液，用1+1氨水调节pH值=4，在水浴锅中90℃保持3h，冷却至室温后抽滤，置于80℃烘箱中干燥1h，待用。

BiVO4/C3N4的制备：分别称取三份质量为0.02g上述BiVO4于研钵中，再分别加入1，2，4g三聚氰胺，研磨均匀后置于坩埚中，在箱式电阻炉中550℃灼烧2h，保持升温速度为5℃/min，灼烧后得到的固体标记为BiVO4/C3N4-x (x=50，100，200，即m(三聚氰胺)/m(BiVO4))。

1.3 光催化降解RhB

称取0.01g催化剂超声分散于100mL 浓度为20 mg/L的RhB溶液中，在磁力搅拌下暗反应10min，加入0.5 mL双氧水，开启氙灯(带有420nm的截止滤光片)光照60min，每隔10 min取样，用T6新世纪紫外可见分光度计在波长554nm下进行测试。

1.4 材料的表征

采用X射线衍射(XRD)测定材料的物相，材料的微观结构形貌通过扫描电子显微镜(SEM)进行观察，材料的能带结构通过紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)来进行测定。

2 结果与讨论

2.1 光催化降解罗丹明B行为

图1 不同样品对RhB的光催化效果

全部催化剂对RhB的光催化降解效果见图1。由图1可见，BiVO4和C3N4在60min内对RhB的降解率为25%和32%，复合物对RhB的降解率要高于单独的BiVO4和C3N4，Bi-C-50,Bi-C-100,Bi-C-200复合物对RhB的降解率分别达到76%，82%，63%。Bi-C-100的光催化降解RhB的能力最强，降解率达到纯BiVO4和纯C3N4对罗丹明B的3.3倍和2.6倍。可见在此样品中，两者的复合物达到最佳的复合比例。

2.2 材料表征

图2 所有材料的XRD图谱

图2是所有材料的XRD图谱。由图2可见，BiVO4是单斜晶型。在13°和27°处对应C3N4的衍射峰，在复合物中都能看到BiVO4和C3N4的衍射峰，说明复合物得到成功制备。从Bi-C-50，Bi-C-100到Bi-C-200，C3N4的相对含量不断增加，C3N4的衍射峰也在相对增高。

图3 催化剂的DRS图谱

图3是所有材料的DRS图谱。BiVO4的吸收边在508 nm，可以得出其禁带宽度为2.44 eV，C3N4的吸收边在461 nm，可以得出其禁带宽度为2.69 eV。复合物的吸收边在纯BiVO4和C3N4的吸收边之间。可见，所有材料都能响应可见光，禁带宽度介于2.44和2.69 eV之间。

图4 Bi-C-100的SEM图

复合物Bi-C-100的微观结构如图4所示。暗色的块体部分是C3N4，亮白色的颗粒是BiVO4，两者形成了良好的接触。这能够使得光生电子和空穴有效分离，从而提高光催化降解能力。

3 结论

本工作采用两步法成功制备了不同复合比例的BiVO4/C3N4复合物，与纯的BiVO4和C3N4相比，复合物对罗丹明B的光催化降解能力得到大幅提升，其中Bi-C-100型BiVO4/C3N4复合物在60min内催化降解初始浓度为20mg/L罗丹明B溶液，其降解率达到82%，分别为BiVO4和C3N4的3.3倍和2.6倍。在此复合物中，两者达到最佳的复合比例，形成了良好的接触，有利于光生电子和空穴的分离，从而提高了光催化降解能力。