Bi₂WO₆納米材料的控制合成

孫華章 李鑫

【摘要】作為一種優良的新型光催化劑，Bi2WO6在太陽能轉換及環境污染治理方面都表現出優異的可見光催化活性，近年來引起人們的廣泛關注。本文以硝酸鉍和鎢酸鈉為原料，采用水熱法，通過添加不同的表面活性劑（CTAB、SDBS、PVP）控制合成了不同形貌和結構的Bi2WO6納米光催化劑，并研究了其在可見光下對亞甲基藍的降解行為。

【關鍵詞】水熱法? ?表面活性? ?Bi2WO6? ? 光催化

【中圖分類號】G632.4

【文獻標識碼】A

【文章編號】1992-7711（2020）20-079-01

Bi2WO6是最簡單的Aurivillius型氧化物，含有（Bi2O2）2+層及WO6鈣鈦礦片層的層狀結構，具有介電、發光、離子導體以及催化等性能[4-7]。其禁帶寬度為2.69eV，最大吸收峰λmax約在506nm，處于可見光波長范圍，能有效的吸收太陽光進行光催化反應。李春梅首次利用熔融鹽體系合成具有介孔結構的單晶Bi2WO6，并討論了這種結構對于其物理性質的影響[3]。劉曉娜合成了 In2O3/Bi2WO6 異質結構微米帶，α-Fe2O3/Bi2WO6納米管CeO2/Bi2WO6納米纖維發現這種異質結構也具有良好的光催化性能[8-10]。在宋東東的綜述中從界面修飾、能級調控、晶格結構的改變與量子尺寸效應四方面，對 Bi2WO6光催化劑的性能調控研究[5]。張宇航利用水熱反應合成Bi2WO6納米花狀球，并研究了不同pH對其晶形、形貌、孔徑分布光學性質及催化性能的影響[11]。因此，Bi2WO6光催化材料的研究將為光催化去除和降解有機污染物開辟了一條新的途徑，在環境凈化和新能源開發方面具有非常重要的實用價值[12-15]。

本文通過簡單的水熱方法，采用不同的表面活性劑來控制合成了不同形貌的Bi2WO6，并對其在可見光下的催化活性進行研究。

1.不同形貌的Bi2WO6納米材料的制備

將0.001mol Na2WO4·2H2O和0.002 mol Bi（NO3）3·5H2O分別加入到10mL去離子水中，磁力攪拌并超聲，將Na2WO4溶液加入到Bi（NO3）3溶液中。將前驅物轉移到容量為50mL的聚四氟乙烯反應釜內。將密封好的反應釜置于已預熱好的鼓風干燥箱內，保溫16h后取出自然冷卻到室溫。用抽濾的方法將得到的產物收集起來，并用去離子水清洗數次，在80℃烘干。水熱溫度為160℃，表面活性劑分別為CTAB、SDBS、PVP，樣品分別標記為T1，T2和T3。

2.結構與形貌

圖2-1為兩種表面活性劑制下得樣品的XRD圖譜，有圖可以看出，XRD圖譜中位于28.47°，33.09°，47.28°，56.74°，58.74°，76.16°，78.61°處出現衍射峰，所有的衍射峰都可以在正交晶系Bi2WO6的標準譜找到對應的角度。在標準圖譜中（020）/（200）衍射峰（33.09°位置）與（113）衍射峰（28.47°位置）強度的比值約為0.185，而我們的樣品測試結果高于標準圖譜的比值。這表明制備的Bi2WO6沿著（020）/（200）方向的生長明顯優于一般塊狀Bi2WO6粉體。

樣品T1-添加CTAB（a-d）表面活性劑制備的Bi2WO6樣品SEM照片如圖2-2示。通過照片可以樣品尺寸、形貌單一，均是球形花狀微納米顆粒，直徑大約為3μm（圖2-2a），樣品不是以單個晶體的形式存在，而是二次結晶的花瓣形聚合體存在;圖2-2b為單個球形花狀聚集體的SEM照片，可以看出聚集體是由很多二維的片層緊密的排在一起形成的多層結構。這種花狀結構的形成與樣品的生長過程有關，在后文中將進一步討論。在圖2-2c和d中，我們進一步發現每一層片的邊長大約為65nm，厚度非常薄，約為10nm。值得提出的是，這種分級球狀結構在溶液中經長時間超聲也保持結構的完整性，不會遭到破壞變成分散的納米片。

3.花狀Bi2WO6生長機理探討

結合晶體結構和化學成分分析，這種復雜的Bi2WO6的形成過程可以由圖2-5所示。在花狀Bi2WO6生長的最初階段是形成微小的方形納米片，然后這些方形納米片取向排列采用邊一邊結合的方式形成較大的二維納米片，在CTAB的作用下，這些二維納米片按照一定的方式排列形成三維的微米花。初級Bi2WO6方形納米片的形成是一個典型的奧斯特瓦爾德成熟過程。

4.結論

通過低溫水熱反應成功合成了不同形貌的Bi2WO6納米材料。研究發現，通過控制實驗條件可以得到不同形貌的Bi2WO6納米材料，由于表面活性劑在各個晶面的吸附不同，可以得到方形納米片，花狀納米結構。

【參考文獻】

[1]宋東東，高彥華，李文旭，夏明，李強，劉繼東; Bi2WO6光催化機理分析與性能優化的研究進展;化工科技，2017.

[2]董武晶，仝攀瑞，高占堯，鎢酸鉍光催化劑的研究進展，2017，44（17），94-96.

[3]張宇航，鄒學軍，楊寶靈，董玉瑛，郭宇飛，不同 pH 值條件合成納米 Bi2WO6及其可見光下活性研究，水資源與水工程學報，2017，28，5.