兩步法制備BiVO4/C3N4復(fù)合物的光催化行為研究

彭 令，蔣方露，朱紅慶，賴江濤，蒲春花，陳慶淬，楊靜靜,*

(1.重慶化工職業(yè)學(xué)院 環(huán)境與質(zhì)量檢測(cè)學(xué)院，重慶 401228;2.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715)

環(huán)境污染問題對(duì)人類自身的生存與發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅?，F(xiàn)代工業(yè)廢水的不達(dá)標(biāo)排放等問題，使得本來(lái)已極少的淡水資源加劇短缺，其中在工業(yè)廢水中占比較大的印染廢水更是對(duì)生態(tài)破壞嚴(yán)重。采用無(wú)毒廉價(jià)、反應(yīng)速度快、降解效率高的半導(dǎo)體光催化氧化技術(shù)，是解決印染廢水所帶來(lái)的環(huán)境污染問題的可行途徑之一。太陽(yáng)光中紫外光所占的比例約為5%，而可見光所占比例達(dá)到43%，因此開發(fā)可見光響應(yīng)的催化劑能顧更大程度的利用太陽(yáng)光，因此也成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。

BiVO4的禁帶寬度只有2.4eV，能夠響應(yīng)可見光，并且具有無(wú)毒低成本、化學(xué)穩(wěn)定性好、價(jià)帶位置較低即具有較強(qiáng)的氧化能力等特點(diǎn)，成為常用的可見光催化劑[1]。但其單獨(dú)使用時(shí)，在光催化反應(yīng)過程中光生載流子的分離效率不高，因此限制了其光催化性能的發(fā)揮。目前，常采用的提高光生載流子分離效率的方法有負(fù)載貴金屬Pt[2]、Ag[3]等助催化劑；與石墨烯復(fù)合，比如BiVO4/GO[4]、BiVO4/RGO[5]；與其他半導(dǎo)體復(fù)合，比如BiVO4/SiC[6]、BiVO4/TiO2[7]、BiVO4/ZnO[8]等。其中與其他半導(dǎo)體復(fù)合形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠提高光生電子和空穴的分離效率，并且能夠利用兩種半導(dǎo)體各自的優(yōu)勢(shì)。

g-C3N4是2008年由wang[9]等人發(fā)現(xiàn)的一種新型的聚合物半導(dǎo)體光催化劑。一經(jīng)問世就引起了光催化領(lǐng)域的高度關(guān)注。它的禁帶寬度為2.7eV，也能響應(yīng)可見光，其通過對(duì)尿素、三聚氰胺等直接煅燒即可得到，制備方法簡(jiǎn)單，成本較低，并且本身無(wú)毒，是一種非常理想的光催化劑。g-C3N4具有與BiVO4匹配的導(dǎo)帶和價(jià)帶位置，并且其導(dǎo)帶位置很高，導(dǎo)帶上的光生電子具有較強(qiáng)的還原能力。兩者復(fù)合恰好能發(fā)揮兩者各自的優(yōu)勢(shì)。

因此本工作采取兩步法制備得到BiVO4/C3N4復(fù)合物，并研究其對(duì)RhB染料廢水的降解能力。

1 材料與方法

1.1 所用材料與試劑1.2 催化材料的制備

BiVO4的制備：移取50mL濃度為0.5mol/L的偏釩酸銨溶液于燒杯中，逐滴滴加50 mL濃度為0.5mol/L的硝酸鉍溶液，用1+1氨水調(diào)節(jié)pH值=4，在水浴鍋中90℃保持3h，冷卻至室溫后抽濾，置于80℃烘箱中干燥1h，待用。

BiVO4/C3N4的制備：分別稱取三份質(zhì)量為0.02g上述BiVO4于研缽中，再分別加入1，2，4g三聚氰胺，研磨均勻后置于坩堝中，在箱式電阻爐中550℃灼燒2h，保持升溫速度為5℃/min，灼燒后得到的固體標(biāo)記為BiVO4/C3N4-x (x=50，100，200，即m(三聚氰胺)/m(BiVO4))。

1.3 光催化降解RhB

稱取0.01g催化劑超聲分散于100mL 濃度為20 mg/L的RhB溶液中，在磁力攪拌下暗反應(yīng)10min，加入0.5 mL雙氧水，開啟氙燈(帶有420nm的截止濾光片)光照60min，每隔10 min取樣，用T6新世紀(jì)紫外可見分光度計(jì)在波長(zhǎng)554nm下進(jìn)行測(cè)試。

1.4 材料的表征

采用X射線衍射(XRD)測(cè)定材料的物相，材料的微觀結(jié)構(gòu)形貌通過掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行觀察，材料的能帶結(jié)構(gòu)通過紫外可見漫反射光譜(UV-Vis DRS)來(lái)進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 光催化降解羅丹明B行為

圖1 不同樣品對(duì)RhB的光催化效果

全部催化劑對(duì)RhB的光催化降解效果見圖1。由圖1可見，BiVO4和C3N4在60min內(nèi)對(duì)RhB的降解率為25%和32%，復(fù)合物對(duì)RhB的降解率要高于單獨(dú)的BiVO4和C3N4，Bi-C-50,Bi-C-100,Bi-C-200復(fù)合物對(duì)RhB的降解率分別達(dá)到76%，82%，63%。Bi-C-100的光催化降解RhB的能力最強(qiáng)，降解率達(dá)到純BiVO4和純C3N4對(duì)羅丹明B的3.3倍和2.6倍?？梢娫诖藰悠分?，兩者的復(fù)合物達(dá)到最佳的復(fù)合比例。

2.2 材料表征

圖2 所有材料的XRD圖譜

圖2是所有材料的XRD圖譜。由圖2可見，BiVO4是單斜晶型。在13°和27°處對(duì)應(yīng)C3N4的衍射峰，在復(fù)合物中都能看到BiVO4和C3N4的衍射峰，說(shuō)明復(fù)合物得到成功制備。從Bi-C-50，Bi-C-100到Bi-C-200，C3N4的相對(duì)含量不斷增加，C3N4的衍射峰也在相對(duì)增高。

圖3 催化劑的DRS圖譜

圖3是所有材料的DRS圖譜。BiVO4的吸收邊在508 nm，可以得出其禁帶寬度為2.44 eV，C3N4的吸收邊在461 nm，可以得出其禁帶寬度為2.69 eV。復(fù)合物的吸收邊在純BiVO4和C3N4的吸收邊之間?？梢姡胁牧隙寄茼憫?yīng)可見光，禁帶寬度介于2.44和2.69 eV之間。

圖4 Bi-C-100的SEM圖

復(fù)合物Bi-C-100的微觀結(jié)構(gòu)如圖4所示。暗色的塊體部分是C3N4，亮白色的顆粒是BiVO4，兩者形成了良好的接觸。這能夠使得光生電子和空穴有效分離，從而提高光催化降解能力。

3 結(jié)論

本工作采用兩步法成功制備了不同復(fù)合比例的BiVO4/C3N4復(fù)合物，與純的BiVO4和C3N4相比，復(fù)合物對(duì)羅丹明B的光催化降解能力得到大幅提升，其中Bi-C-100型BiVO4/C3N4復(fù)合物在60min內(nèi)催化降解初始濃度為20mg/L羅丹明B溶液，其降解率達(dá)到82%，分別為BiVO4和C3N4的3.3倍和2.6倍。在此復(fù)合物中，兩者達(dá)到最佳的復(fù)合比例，形成了良好的接觸，有利于光生電子和空穴的分離，從而提高了光催化降解能力。