BiPO4/BiOBr復(fù)合催化劑的制備及光催化降解羅丹明B活性的研究

丁宇航,張 悅,葛奉娟,朱 捷

(徐州工程學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州 221111)

光催化因其在環(huán)境修復(fù)和清潔能源生產(chǎn)中的潛在應(yīng)用，吸引了許多關(guān)注。基于鉍的半導(dǎo)體光催化劑被認(rèn)為是有吸引力的污染物降解候選物[1]。作為典型鉍基光催化劑，BiOX (X = F，Cl，Br，I)由于其穩(wěn)定性，合適的帶隙和優(yōu)異的光催化活性而引起了對(duì)污染物降解的極大興趣[2]。但BiOBr光催化劑仍然具有幾個(gè)缺點(diǎn)，例如光生電子-空穴對(duì)的快速?gòu)?fù)合以及有限的可見(jiàn)光響應(yīng)區(qū)域。p-n異質(zhì)結(jié)被認(rèn)為是分離和移動(dòng)電子-空穴對(duì)的有效且有前景的結(jié)構(gòu)，因此構(gòu)建p-n異質(zhì)結(jié)就能解決BiOBr 的這個(gè)缺點(diǎn)。例如，BiOBr/BiPO4復(fù)合材料就大大提高了光催化活性[3]。本文通過(guò)水熱法制備了BiPO4/BiOBr復(fù)合催化劑，并進(jìn)行了XRD和光催化降解羅丹明B的活性研究，并對(duì)機(jī)理進(jìn)行了簡(jiǎn)單的闡述。

1 實(shí)驗(yàn)部分

將BiPO4和KBr加入到30 mL去離子水中并超聲處理10min，記為溶液A。接著，將Bi(NO3)3·5H2O溶于3 mL乙酸中獲得溶液B。將溶液B逐滴加入到溶液A中，在室溫下攪拌30min，轉(zhuǎn)移至水熱釜中，120 ℃下水熱24h，得到的沉淀物經(jīng)洗滌干燥后得到P/Br物質(zhì)的量比為4/5的BiPO4/BiOBr復(fù)合物(記為P/Br)。

2 結(jié)果與討論

BiPO4、BiOBr以及BiPO4/BiOBr復(fù)合催化劑的XRD圖如圖1，經(jīng)對(duì)比可知，復(fù)合后的BiPO4/BiOBr 樣品同時(shí)具有BiPO4和BiOBr的特征衍射峰，說(shuō)明復(fù)合催化劑中BiPO4和BiOBr共存。另外，從圖上明顯可以看出復(fù)合后的樣品(001)面的峰比BiOBr的(001)面的峰有顯著提高。通過(guò)計(jì)算得出，BiOBr在31.8°和10.83°的峰的相對(duì)強(qiáng)度比為1∶0.33，而B(niǎo)iPO4/BiOBr在31.8°和10.83°的峰的相對(duì)強(qiáng)度比為1∶3.47，可見(jiàn)復(fù)合后的樣品(001)面的峰強(qiáng)比復(fù)合前的峰強(qiáng)增大了10倍。這是因?yàn)锽iPO4具有導(dǎo)向作用，更有利于BiOBr的(001)面在BiPO4表面生長(zhǎng)。

復(fù)合材料在氙燈照射下降解羅丹明B的結(jié)果如圖2所示，可以看出復(fù)合樣品的催化活性最好。由于較大的帶隙，BiPO4對(duì)可見(jiàn)光幾乎沒(méi)有響應(yīng)，在照射140 min后僅能降解12%的羅丹明B，而B(niǎo)iOBr在照射140 min時(shí)降解了29%的羅丹明B。相比之下，BiPO4/BiOBr復(fù)合樣品具有最好的光催化性能，在照射140min后降解了62%的羅丹明B。這是因?yàn)閺?fù)合樣品形成了異質(zhì)結(jié)，在電場(chǎng)作用下，光生電子可以從BiOBr的導(dǎo)帶快速轉(zhuǎn)移到BiPO4的導(dǎo)帶，空穴從BiPO4的價(jià)帶轉(zhuǎn)移到BiOBr的價(jià)帶，促進(jìn)了光生電子-空穴對(duì)的有效分離，從而在氙燈照射下表現(xiàn)出較高的羅丹明B的降解速率。另外，根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[4]，(001)晶面具有更高的光催化活性，因此高比例的(001)暴露面也是復(fù)合樣品催化活性明顯提高的原因。

圖1 BiOBr，BiPO4和P/Br樣品的XRD圖

3 結(jié)論

本文制備了BiPO4/BiOBr復(fù)合催化劑，并進(jìn)行了XRD表征和降解羅丹明B的活性測(cè)試，表明復(fù)合催化劑有利于BiOBr(001)晶面的暴露，且復(fù)合結(jié)構(gòu)有利于電子-空穴的分離，因而表現(xiàn)出更高的可見(jiàn)光催化降解活性。

圖2 BiOBr，BiPO4和P/Br樣品 的在可見(jiàn)光下降解羅丹明B的活性

致謝

感謝徐州市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(社會(huì)發(fā)展)項(xiàng)目(KC17154) 和徐州工程學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目(XKY2015207)對(duì)本工作提供基金支持。