BiVO4納米纖維的制備與光催化性能研究*

2021-11-18 08:38:42鮑家俊陳國明池琳琦徐愛嬌

廣州化工 2021年21期

鮑家俊，陳國明，王露，池琳琦，徐愛嬌

(1臺州學院電子與信息工程學院，浙江臺州 317000； 2廣西大學物理科學與工程技術學院，廣西南寧 530004)

隨著能源危機和環境污染日益惡化，人類謀求經濟和社會可持續發展成為21世紀所面臨的最大問題。光催化技術是緩解能源短缺和環境污染的有效方法之一，BiVO4是一種擁有良好催化性能的窄禁帶寬度半導體材料，因為它特有的晶相結構和光催化性能引起了眾多相關科研工作者的廣泛關注[1-3]。與傳統的光催化材料TiO2(Eg=3.2 eV)相比，BiVO4的禁帶較窄(Eg=2.4 eV)，在可見光區域具有較好的響應性能，拓寬了其在光催化鄰域的應用。BiVO4在自然界存在三種不同的晶相，分別為四方白鎢礦結構(s-t)、四方鋯石結構(z-t)、單斜白鎢礦結構(s-m)[4]。國內外科學家們已經研究了晶粒尺寸、微觀形貌、活性面、元素摻雜、異質結復合等對鉍系半導體光催化材料的光催化性能的影響，并研究了其光催化機理，已經取得了一些重要的研究成果。通過形貌和晶面調控，調節材料的微結構增加催化反應活性位點，增大比表面積，提高光學傳輸性，能夠有效提高催化效率[5]。中空納米纖維，其微觀上超長的一維納米結構和宏觀上獨特的纖維網氈結構，有利于構筑具有高活性晶面、高比表面、高分散性等特性的三維開放的微納結構體系，既有利于提高光催化效率又易于分離和重復使用[6]。目前，BiVO4制備主要包括液相法、模板法、水熱法、高溫固相合成法、溶膠凝膠法、沉淀法等[7-9]。本文采用靜電紡絲法制備BiVO4納米纖維，并對其結構和性能進行研究。

1 實驗

1.1 BiVO4溶膠的制備

以五水硝酸鉍(Bi(NO3)3·5H2O)作為鉍源，乙酰丙酮氧釩(C10H14O5V)作為釩源，將3 mmol的五水合硝酸鉍溶解到4 mL的DMF(HCON(CH3)2)溶液中，再加入3 mL的乙酸，充分攪拌，待(Bi(NO3)3·5H2O)完全溶解后，加入3 mmol乙酰丙酮氧釩，然后加入4 mL酒精。最后將樣品放到磁力攪拌器上，邊攪拌邊緩慢的加入1.0 g PVP((C6H9NO)n)，攪拌時間為24 h。

1.2 BiVO4納米纖維的制備與燒結

本實驗采取靜電紡絲技術制備納米纖維BiVO4，靜電紡絲是將注射針頭噴射出的聚合物在強電場的作用下形成紡絲，然后在固體電極上固化，能夠連續制備聚合物納米纖維的方法[10]。實驗參數如下：靜電紡絲的電壓為30 kV，針管注射速率為0.4 mL/h，針頭與接收滾筒的距離20 cm。

把BiVO4納米纖維材料裝入坩堝放入電阻爐中進行熱處理，熱處理的工藝為：從室溫24 ℃開始升溫，升溫速率為2 ℃/min，分別在不同溫度下(400 ℃、450 ℃、500 ℃、550 ℃)焙燒1 h，最后隨爐冷卻至室溫，得到不同溫度燒結的BiVO4納米纖維。

1.3 材料結構表征和性能測試

本文通過XRD測試、SEM測試分別對BiVO4納米纖維的晶體結構、表面形貌分別進行表征。光催化性能表征是測試BiVO4納米纖維降解羅丹明B溶液(RhB)的效率。采用紫外-可見分光光度計測試材料的吸收光譜，將吸收光譜數據進行整理和分析，最后計算得到不同燒結溫度樣品的最終光催化效率。根據Lambert Bill定律，樣品的降解率可由下式計算：

式中C0代表降解前初始溶液的吸光度值；C表示進行光催化降解后的吸光度值。

2 結果與討論

2.1 煅燒溫度對BiVO4納米纖維形貌的影響

圖1 不同燒結溫度下BiVO4納米纖維的表面形貌Fig.1 Morphology of BiVO4 under different calcination temperature

不同煅燒溫度下制備的BiVO4納米纖維表面形貌如圖1所示，從圖中可以看出，400 ℃、450 ℃、500 ℃和550 ℃煅燒溫度條件下制備的BiVO4的納米纖維的形貌差別很大。經500 ℃熱處理后制備的BiVO4納米纖維呈現帶狀纖維的形貌，纖維的連續性較好，沒有團聚的行為，直徑大小不一，約在500～1000 nm之間，表面比較光滑，相互之間沒有粘連。可以看出用靜電紡絲法制備的釩酸鉍納米纖維比較成功。經400 ℃熱處理的BiVO4大部分呈現出納米棒的線狀，經450 ℃熱處理的BiVO4呈現出部分纖維狀和部分納米棒的線狀。原因可能為：在制備過程中，原料先發生水解(Bi+3極易發生水解)[11]、聚合等化學反應，形成溶膠，從而生成具有一定空間結構的凝膠棒，經熱處理后再生成BiVO4。而溫度高于500 ℃時，溫度為550 ℃條件下制備的納米纖維，其組成顆粒的尺寸明顯變大。這可能是由于煅燒溫度過高，使顆粒發生團聚[12]的原因造成的。

2.2 煅燒溫度對BiVO4納米纖維晶體結構的影響

圖2 不同燒結溫度下BiVO4納米纖維的XRD圖Fig.2 XRD of BiVO4 under different calcination temperature

圖2為不同溫度下煅燒制備的BiVO4納米纖維XRD表征圖譜，從2θ=35°、46°等特征峰與JCPDS標準卡對比檢索，可以看出制備的樣品為斜白鎢礦結構BiVO4(s-m)。隨著溫度的升高，BiVO4納米纖維的結晶度提高特征峰的分裂更加明顯。

2.3 煅燒溫度對BiVO4納米纖維催化性能的影響

根據圖3結果分析可以得出羅丹明B的吸收波長峰值在λ=555 nm附近，用450～650 nm波長的光線對添加不同溫度處理的BiVO4的羅丹明B溶液進行吸收掃描測試，選擇555 nm波長處的光吸收值的變化來表征此次光催化的活性性能。圖A表示無添加催化劑時，在50 min光照下，羅丹明B溶液的降解速率非常低，幾乎僅有0.12%的羅丹明B被降解。圖B、C、D、E表示添加不同溫度煅燒的BiVO4催化劑時，隨著催化時長的增加，羅丹明B溶液的降解率不斷提高，其中添加500 ℃煅燒的BiVO4催化劑光催化性能最佳(降解率為80.5%)，由于500 ℃煅燒的BiVO4樣品相比其他樣品，其比表面積的增大，增加電子-空穴對的數量，促進空穴氧化吸附在光催化劑表面的有機物，使光催化活性提高，降解率升高。添加550 ℃煅燒的BiVO4催化劑光催化性能最差(降解率為28.5%)、添加400 ℃煅燒的BiVO4催化劑與450 ℃煅燒的BiVO4催化劑光催化性能相當(降解率為54%左右)。