半導體光催化材料鎢酸鉍的研究進展

梁博涵

摘 要：Bi2WO6作為一種常見的光催化材料被人們廣泛研究，可用于光催化技術治理環境污染問題，其光催化性能可以通過摻雜改性得到明顯提高。本文論述了Bi2WO6光催化材料的結構與性質，介紹了幾種Bi2WO6復合光催化材料，包括Ag- Bi2WO6光催化復合材料，g-C3N4/Bi2WO6復合光催化材料，共摻雜光催化材料，石墨烯復合Bi2WO6光催化材料以及它們的制備方法。最后對上述內容進行了總結與展望。

關鍵詞：鎢酸鉍;Ag-Bi2WO6復合光催化材料;g-C3N4/Bi2WO6復合光催化材料

中圖分類號：TQ426.8 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）03-0218-02

0 引言

全球面臨的環境污染問題日趨嚴重，而傳統降解污染物的方法具有局限性，如存在二次污染、降解不充分等問題，所以開發新的污染治理方法十分必要。光催化技術是一種在光催化材料的作用下將光能轉化成化學能降解污染物的新興技術，在治理污染方面具有降解充分，高效清潔等巨大優勢，這無疑為全球環境問題提供了一種解決方法。

光催化材料在光催化技術中起著媒介的關鍵作用，光催化材料的優劣往往決定了光催化反應的效率。但是常見的光催化材料（如TiO2）存在許多不足之處，如可見光利用波長范圍小、空穴與電子易復合等。而鎢酸鉍（Bi2WO6）是一種新型的含氧酸鹽光催化材料，具有較高穩定性。Zou等人報道Bi2WO6在光照下不僅表現出光催化活性，而且可以礦化水中的CH3Cl、CH3CHO等有機污染物，之后又通過水熱法制備出了活性較高的Bi2WO6納米顆粒。自此，Bi2WO6光催化材料降解有機物已經顯現出了巨大的研究價值。

1 Bi2WO6光催化材料

1.1 Bi2WO6的結構與性質

Bi2WO6是一種n型寬帶隙新型半導體光催化材料。Bi2WO6晶體是典型的鈣鈦礦層狀結構。它的禁帶寬度（Eg）為2.7eV左右，窄于TiO2的帶隙[1]。擁有較窄的禁帶寬度使Bi2WO6能在可見光區域發生光能響應。

陳淵等[1]人研究發現可見光照下Bi2WO6在15min內對甲基橙的降解率可達100%，并且在循環反應5次后仍有光催化降解性能，光催化活性基本沒有改變，證明了Bi2WO6光催化材料具有較高的穩定性。

1.2 Bi2WO6的制備方法

Bi2WO6的常用制備方法有水熱法，固相法，溶膠-凝膠法等。

合成Bi2WO6光催化劑的最常用方法是水熱法。劉瑛等[2]人以Bi（NO3）3·5H2O和Na2WO4·2H2O為原料，采用水熱法合成了Bi2WO6;在180℃、不同pH下反應24h后的形貌會發生改變。當pH=7時，產物的結晶性最好。也可使用固相燒結的方法，將Bi元素和W元素的固體氧化物或鹽機械混合，直接在1000℃左右燒結得到Bi2WO6。但這種方法制備的產物通常顆粒半徑大，光催化性能不高。

品質最佳的純Bi2WO6的催化性能依然可以繼續提高，可以通過摻雜等方式進一步改善。常見摻雜（復合）的改進方法有金屬離子摻雜、g-C3N4復合、共摻雜、石墨烯復合法等。

2 Ag-Bi2WO6復合光催化材料

2.1 原理

Ag是良好的導體，故將Ag沉積到Bi2WO6材料的表面可捕獲光生電子，可以有效地阻止電子-空穴對復合[1]。而Bi2WO6光催化材料的能帶結構也因Ag的摻雜得到改善，從而提高Bi2WO6材料的光催化活性。此外，Bi2WO6光催化材料的比表面積因摻雜了金屬Ag而得到擴大，使其更高效更快速地分解污染物。

2.2 制備

制備Ag-Bi2WO6光催化劑的常見方法有溶膠-凝膠法，水熱法等。

羅序燕等[1]人采用溶膠-凝膠法制備了Ag-Bi2WO6新型復合光催化材料。Ag/Bi2WO6相比與純Bi2WO6，能在界面上分離光生電子和空穴，提高其光催化性能。摻雜量為0.8%的Ag/Bi2WO6在可見光條件下能夠降解95.40%的亞甲基藍（MB），而純Bi2WO6在相同條件下的降解率僅有73.76%。這表明摻入Ag復合后的Bi2WO6光催化材料具有更高的光催化活性。

3 g-C3N4/Bi2WO6復合光催化材料

3.1 原理

g-C3N4是一種半導體聚合物，能夠利用波長小于475nm的光，禁帶寬度約為2.7eV。g-C3N4/Bi2WO6復合光催化材料，在擴增光吸收范圍的同時，也可以促進光生電子在材料界面的分離和遷移，提高了它的光催化性能。這種摻雜方法也是目前的主流改性方法之一[1]。

3.2 制備

制備這種光催化材料可以采用制備半導體復合光催化材料的常用方法，如水熱法等。

Hao等[1]人通過單步水熱法制成了g-C3N4/Bi2WO6復合光催化劑，g-C3N4摻雜的比例達到30%。在可見光照射下，該光催化材料對Rhb（羅丹明B）表現出最優良的光催化活性，120min內可以降解99.3%的Rhb，對比于純樣的Bi2WO6光催化材料提高了21%。

4 共摻雜Bi2WO6復合光催化材料

4.1 原理

共摻雜是指通過金屬之間、金屬和非金屬、非金屬之間摻雜Bi2WO6以及非金屬氧化物的復合來提高Bi2WO6光催化活性的一種方法。通過多物質共同摻雜，使整體光催化材料的能帶結構得到大幅度改良，光響應范圍得到提升。同時在一定程度上使各種材料的優點疊加且缺點互補，從而提高其光催化活性，使其更高效徹底地催化分解污染物。

4.2 制備

趙偉碩等[4]人采用超聲法制備Ag-Bi2WO6-TiO2光催化材料。將TiO2溶膠與Ag-Bi2WO6混合，經超聲波處理后干燥、煅燒，制得Ag-Bi2WO6-TiO2光催化材料。實驗證明，Ag-Bi2WO6-TiO2材料與超聲波、臭氧組合對甲基橙的降解率高達93%以上。Lai K等[5]人制備了N與Mo共摻雜的Bi2WO6復合物。實驗表明，相比于純Bi2WO6，這種復合后的光催化材料禁帶寬度更低，光催化活性更高。

5 石墨烯復合Bi2WO6光催化材料

5.1 原理

石墨烯是由單層C原子SP2雜化堆積而成的二維蜂窩狀晶格結構，具有較大的比表面積和突出的導熱導電性能。研究表明石墨烯能迅速的轉移光生電子，促進電子與空穴的分離，具有較大的比表面積與較高的電子遷移率，可以用于合成高效復合光催化劑[5]。

5.2 制備

Zhuang Jiang等[6]人通過水熱法合成這種光催化材料，發現在石墨烯的存在下Bi2WO6的潔凈度會降低，比表面積減小，進而改變Bi2WO6的光催化性能，還發現石墨烯與Bi2WO6之間形成了W-O-C鍵，提高了光生載流子的遷移速率。王萍等人通過沉淀法制備得到了花狀石墨烯-Bi2WO6復合光催化材料，發現石墨烯的含量在0.1wt%～ 0.5wt%時，石墨烯-Bi2WO6復合光催化材料對甲基橙的降解率有加強。當石墨烯的含量進一步增加時，光催化效率有所下降，但仍然比純Bi2WO6的光催化效率高，可見石墨烯復合Bi2WO6光催化材料確實可以提高對有機物的光催化分解效率。

6 結論與展望

本文介紹了一種新型光催化劑Bi2WO6的結構與性質以及對其光催化性能的改進方法。Ag-Bi2WO6復合光催化材料由于有金屬離子的摻雜使其載流子復合率降低，從而提高其光催化性能，制備Ag-Bi2WO6光催化劑的常見方法有溶膠-凝膠法，水熱法等;g-C3N4復合Bi2WO6光催化材料可以拓寬Bi2WO6光催化材料的能帶響應范圍，從而提高其光催化效率，制備這種光催化材料可以采用一般的制備半導體復合光催化材料的方法，如水熱法等;共摻雜Bi2WO6光催化材料通過多物質共同摻雜，整體材料的光響應范圍得到提升，常見的制備方法有水熱法、溶膠—凝膠法等;石墨烯復合Bi2WO6光催化材料通過發揮石墨烯的作用，使其對可見光的響應范圍變寬，常見的制備方法有水熱法等。

近年來，光催化材料由于其獨特的重要性一直被人們重點研究，其中Bi2WO6由于其適宜的禁帶寬度、較強的氧化還原能力等突出的性能而具有很大潛質。光催化技術走向實踐生產的關鍵即為通過摻雜其他物質對光催化材料性能進行改進。但現階段來說人們對光催化材料摻雜的研究仍然不夠全面，缺乏系統的方法以及科學的理論體系，這直接導致了Bi2WO6系列光催化劑無法大規模投入工業生產，無法商業化，阻礙了對其的研究開發進展。所以，在今后的研究開發中，要加大對理論的研究力度，加強對實驗的重視程度，找到最科學有效的改進方案，使光催化技術廣泛應用于人們的生活。

參考文獻

[1] 吉亮亮，同幟，馬敏敏，et al.鎢酸鉍基光催化材料的研究進展[J].山東化工，2018（12）.

[2] 劉瑛.系列Bi2WO6納米材料的合成、表征及性能研究[D].武漢理工大學，2011.

[3] 吉亮亮，鄒帥，沈明榮，et al.Radio Frequency Underwater Discharge Operation and Its Application to Congo Red Degradation[J].等離子體科學和技術（英文版），2012，14（2）：111-117.

[4] 顧立勇.超聲、臭氧協同復合氧化物體系光催化的研究[D].江蘇大學，2010.

[5] 王春來，李釩，楊焜，劉長軍，田豐.碳量子點-二氧化鈦復合光催化劑的研究進展[J].材料導報，2018，32（19）：3348-3357.

[6] Diller E， Zhuang J， Guo Z L， et al. Continuously distributed magnetization profile for millimeter-scale elastomeric undulatory swimming[J]. Applied Physics Letters， 2014，104（17）：174101-174101-4.