Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6復合光催化劑的制備及其光催化活性的研究

趙麗敏，王 杰，張 新，賈春燕，王澤華，葉中天

（赤峰學院，內蒙古 赤峰 024000）

1 前言

隨著社會的飛速發展，各種廢水也對環境有所污染，而廢水中的污染物具有一定的穩定性，很難被降解，但是光催化劑對其具有一定的降解作用[1].另外，可見光是一種環保、無污染的能源[2]，為了更加充分合理地應用太陽能，尋找良好的可見光催化劑已經是一項重要而艱巨的任務[3].目前鎢酸鹽類材料在光導纖維、光致發光物質、催化劑等方面具有很好的研究前景，已然成為最近幾年人們所研究的熱點課題[4].

經研究發現Bi2WO6在大于450nm的波長下，在可見光的照射下具有一定的光催化活性，但是僅憑一種單一的Bi2WO6對于太陽能的利用效率并不高，為使Bi2WO6的光催化性能有所改善，常用摻雜稀土金屬離子這種辦法來增強其光催化活性[5].

本文通過使鎢酸鉍與上轉光劑進行復合，從而來實現對鎢酸鉍光催化活性的增強，并且運用XRD和SEM對其進行了表征[6]，此外通過測定偶氮品紅溶液的UV來探究其光催化活性.

2 實驗藥品與儀器

2.1 實驗藥品

見表1.

表1 主要試劑及規格

2.2 實驗儀器

見表2.

表2 主要設備及廠家

3 實驗方法

3.1 制備

3.1.1 上轉光劑Er3+:Y3Al5O12的制備

取0.7608g Er2O3，1.3661g Y2O3分別溶于8mL濃硝酸溶液中，用磁力攪拌器進行攪拌并加熱（50-60℃）至溶解.待Er2O3溶液變粉色透明、Y2O3溶液變無色透明，將三種溶液混合在一起即為稀土離子溶液.將7.5026g的Al(NO3)3·9H2O溶于少量蒸餾水后，用玻璃棒進行攪拌并緩慢加入稀土離子溶液中，稱取25.5959g檸檬酸并溶于少量蒸餾水中，緩慢加入稀土離子溶液中，反應劇烈有大量氣泡生成，溶液為棕黃色，滴加HF溶液0.6mL，稱取尿素0.7021g溶解于少量蒸餾水中，緩慢加入稀土離子溶液中，用磁力攪拌器進行攪拌并且加熱（溫度為50℃）至溶液變為溶膠狀物質后停止加熱攪拌.待冷卻至室溫后放在烘箱中在120℃條件下進行干燥36h.將得到的固體泡沫凝膠進行研磨，將研磨后的固體粉末狀的藥品放在馬弗爐中，在500℃條件下先煅燒60min，再在1087℃條件下煅燒175min.最后將固體藥品取出后冷卻至室溫，得到粉色粉末狀固體[7]即為上轉光劑Er3+:Y3Al5O12.

3.1.2 上轉光劑Er3+:Y3Al5O12與Bi2WO6復合的最佳摩爾比的探討

按照 0:100、1:100、3:100、6:100、12:100 的質量比稱取Er3+:Y3Al5O12與Bi2WO6，分別將藥品進行充分研磨后，分別加入5個小燒杯中，依次加入50mL蒸餾水，室溫下超聲分散30min，緊接著再加熱煮沸30min.待溶液冷卻至室溫后，放在烘箱中在120℃干燥4h.溶劑蒸干后再充分研磨，然后放在馬弗爐中在300℃的條件下進行煅燒2h.得到的白色粉末即為不同質量比的Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6.

將上述五種不同比例的復合光催化劑各稱取50mg分別加入已經配好的偶氮品紅溶液40mL，用磁力攪拌器進行攪拌30min，再用離心機在3000r/min的條件下進行離心15min，靜止沉淀后，取上清液在3000r/min下離心三次，測UV[8]，如圖1所示.

圖1 在偶氮品紅溶液中分別加入不同比例的Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6復合光催化劑的UV圖

由圖1可知，偶氮品紅溶液在291nm和614nm處有吸收峰，最大吸收波長為535nm.當加入不同物質的量比的Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6復合光催化劑時，通過測定偶氮品紅溶液的紫外吸收光譜，可以看出Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6質量比為1:100時，該復合光催化劑對偶氮品紅溶液的降解效果最好.

3.1.3 上轉光劑Er3+:Y3Al5O12與Bi2WO6復合最佳溫度的探討

按照質量比為1:100的量，稱取三份Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6復合光催化劑，分別進行充分研磨，再加入50ml蒸餾水，先超聲分散30min，然后進行加熱煮沸30min，待冷卻至室溫后放入烘箱在120℃條件下進行干燥4h，蒸干溶劑，再進行充分研磨后放入馬弗爐中在溫度分別為100℃、150℃、300℃、600℃下進行煅燒，煅燒時間為2h.取出藥品，充分研磨.

將得到的四種粉末分別稱取50mg，加入40mL偶氮品紅溶液中，用磁力攪拌器進行攪拌30min，靜止沉淀后，再用離心機在3000r/min的條件下進行離心15min，取上清液在3000r/min下離心三次測UV.如圖2所示：

圖2 在偶氮品紅溶液中分別加入不同煅燒溫度Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6（1:100）的三份復合光催化劑的UV圖

由圖2可知，在波長535nm處，當加入不同煅燒溫度Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6（1:100）復合光催化劑時，通過測定偶氮品紅溶液的紫外吸收光譜，可以看出，Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6煅燒溫度為150℃時，該復合光催化劑的光催化活性明顯增強.

3.1.4 上轉光劑Er3+:Y3Al5O12與Bi2WO6復合的最佳熱處理時間的探究

按質量比1:100稱取三份200mg Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6，分別進行充分研磨后加入50mL蒸餾水中在室溫下進行超聲分散30min，然后加熱煮沸30min，待冷卻至室溫后放入烘箱中，在溫度為120℃條件下進行干燥4h，蒸干溶劑，取出藥品冷卻至室溫后進行充分研磨，再將藥品放入馬弗爐中在溫度為150℃條件下進行煅燒（煅燒時間分別為 1h、2h、4h），將得到的三種粉末分別稱取 40mg，分別加入40mL偶氮品紅溶液中，用磁力攪拌器進行攪拌30min.靜止沉淀后，再用離心機在3000r/min的條件下進行離心15min，取上清液3000r/min離心三次，測UV.如圖3所示：

圖3 偶氮品紅溶液中分別加入不同煅燒時間的Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6（1:100）三份復合光催化劑的UV圖

圖3 表明，在偶氮品紅溶液中，當加入不同煅燒時間的Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6（1:100）復合光催化劑時，通過比較535nm處最大吸收波長的變化，可以得出煅燒時間為2h時，復合光催化劑的光催化活性明顯增強.

4 結果及討論

XRD與SEM

圖4 樣品Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6的XRD圖譜

圖4 是制備四種樣品的XRD圖譜，很明顯在2θ=32.0°處有特征峰，證明樣品為Bi2WO6.根據標準譜圖衍射峰可以確定所做的樣品為Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6.

圖5是Er3+:Y3Al5O12和Bi2WO6的掃描電鏡照片；圖6是Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6的掃描電鏡照片.從圖 5（a）（b）（c）可以看出上轉光劑 Er3+:Y3Al5O12的顆粒狀結構，從圖5（d）可以看出Bi2WO6是棒狀結構.從圖6可以看到Bi2WO6表面分布著細小的顆粒狀微粒，說明上轉光劑與Bi2WO6之間復合成功.

圖5 Er3+:Y3Al5O12和Bi2WO6的掃描電鏡圖片

圖6 Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6的掃描電鏡照片

5 結論

首先是運用溶膠-凝膠的方法分別合成了上轉光劑Er3+:Y3Al5O12，然后利用水熱合成法合成了Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6，我們用偶氮品紅溶液模擬實際污染物，通過測定其紫外吸收光譜，可以得出上轉光劑Er3+:Y3Al5O12與鎢酸鉍的最佳質量比為1:100，最佳的熱處理溫度為150℃，最佳的熱處理時間為2h.最后我們通過電子掃描電鏡（SEM）和X-射線粉末衍射儀（XRD）分別對其進行表征.