Bi1-xYxFeO3光催化劑的表征及光催化分析研究

房 睿

(新疆維吾爾自治區水文局，烏魯木齊 830000)

0 引 言

隨著經濟的快速發展，人類活動對自身的生存環境造成不同程度的破壞，直接或間接影響人類健康以及社會經濟的可持續健康發展[1]。難降解有機污染物在水體中廣泛且持久存在。中國在全球范圍內屬于湖泊密度較大的國家之一，湖泊在供給淡水、漁業、維護生態環境等多個方面占有重大比重。水體中常見的有機污染物有以下幾種：酚類化合物、苯胂酸類化合物、石油類、苯系物、有機氯農藥、有機磷農藥、多環芳烴、多氯聯苯等。其中，染料廢水是常見的有機工業廢水，在實際工程中常常伴有染料廢水的處理，常見的試驗目標染料污染物有剛果紅、羅丹明B、甲基橙、孔雀石綠等。鐵酸鉍(BiFeO3，簡寫BFO)是一種常見的新型的多鐵性光催化材料，具有鐵電性和反鐵磁性以及較窄的禁帶能隙，是當前多鐵材料研究熱點之一。BFO不僅在自旋電子器件和鐵電儲存方面有較大的應用潛力，而且在光催化降解方向也有著非常大的前景。BFO作為一種典型的鈣鈦礦材料，其本身的禁帶能隙為2.2～2.8 eV，對紫外光和可見光都能產生響應，表現出較好的光催化活性，在光催化降解污染物、環境凈化及光解水制氫等方面有著誘人的前景[2]。但是在光催化實驗中，此材料有光生空穴與電子對分離困難、材料表面吸附性能相對較差，導致可見光光電子產率低以及光生電子和空穴易于復合等缺點。

1 Bi1-xYxFeO3光催化劑的表征

1.1 不同Y摻雜量BFO樣品的紅外光譜分析

圖1為不同Y摻雜量的BFO樣品的FT-IR譜圖。從圖1中可以看出，在500℃下煅燒2 h的所有樣品的紅外譜圖均相似，在550 cm-1和440 cm-1處有明顯的屬于FeO6八面體中的Fe-O和Bi-O鍵的2個吸收峰。與薩特勒標準紅外光柵光譜集對照發現，特征峰的位置和形狀并不是完全相同，表明此次合成的樣品是有雜質的，與上述的XRD分析結果一致。綜上所述，Y摻雜量的增加引起晶粒尺寸減小、比表面積增加、吸收峰發生藍移等[3]。

圖1 不同含量Y摻雜BFO的紅外光譜圖

1.2 不同Y摻雜量BFO的磁滯回線分析

圖2為室溫下不同含量Y摻雜BFO光催化粉末的M-H關系圖。由圖2可以看出，隨著Y的摻雜，BFO的磁化強度并沒有顯著變化，而光催化效果最好的Y5反而磁化強度最小，可能是因為Y3+本身為非磁性電子，Y的摻雜沒有起到增加磁化強度的作用。除此之外，由XRD和FT-IR可知，樣品中存在Bi2O3雜質，也可能是因為雜質的存在造成磁化強度的降低。

圖2 室溫下不同含量Y摻雜BFO納米粉體的M-H關系圖

2 Bi1-xYxFeO3光催化劑的光催化及分析

2.1 不同Y摻雜量BFO的光催化性能分析

不同Y摻雜的BFO催化劑對剛果紅隨時間變化的降解曲線見圖3。由圖3可知，剛果紅濃度與其初始濃度之比隨時間的變化成指數關系，符合擬一級反應動力學方程[4]。在20 mg/L剛果紅溶液中加入0.1 g光催化粉末進行光催化降解，通過比較發現，未摻雜的BFO對剛果紅的降解率最低，僅僅達到30%左右；隨著摻雜Y濃度增加，降解效率也隨著增加，在摻雜濃度5%Y時，也就是Y5對剛果紅的降解效果達到最好，光反應120 min降解率可達到86%，比未摻雜的樣品催化效果提高56%左右。但是當Y的摻雜濃度達到7.5%時，對剛果紅的降解率反而下降。上述結果說明，適當摻雜Y可以提高BFO的催化性能。

圖3 不同Y摻雜的BFO催化劑對剛果紅隨時間變化的降解曲線圖

由以上各項表征結果可知，Y的摻雜抑制了BFO晶體增長，引起晶體畸變，產生缺陷能級，適當缺陷的存在可以擴展對光的吸收范圍，提高光生載流子的分離效率[5]，降低光生電子與空穴的復合概率；同時顆粒粒徑減小，比表面積增大，活性位點增多，加快光生電子-空穴的擴散速率，提高光催化材料性能。

2.2 不同Y摻雜量BFO對于水中COD降解分析

不同Y摻雜的BFO催化劑對COD的降解曲線見圖4。此次實驗污水選自某污水廠進水水樣，水樣含懸浮物、渾濁、含黑色污泥、惡臭。取500 ml廢水水樣分別加入0.1 g BiFeO3、Bi0.95Y0.05FeO3光催化劑，經暗反應30 min后，利用300 W氙燈照射120 min，將光催化反應后的上清液取300 ml左右用于COD含量檢測。通過試驗檢測結果，原廢水水樣的COD含量為85 mg/L，加入BFO納米顆粒后的水樣COD濃度減小到70 mg/L，而加入Bi0.95Y0.05FeO3光催化納米粉體后的水樣COD濃度為58 mg/L。結果顯示，加入催化劑后實驗過后的水樣，懸浮物明顯減少，更加清澈，微微渾濁[6]，輕微臭味，燒杯底部白色絮狀物，加入BFO后COD濃度減少17%；而加入Bi0.95Y0.05FeO3后COD的濃度含量降解31%。鐵酸鉍催化劑對水中的COD濃度有一定的降解作用，摻雜Y后催化劑比純鐵酸鉍對COD的降解效果更好[7]。

圖4 不同催化劑對廢水COD的降解效果

3 結 論

本文為研究降解污水處理廠高濃度有機物廢水監測提供理論基礎和技術支持[8]，通過研究烏魯木齊市某污水處理廠的進水水樣，研究結果如下：

1) BFO光催化降解剛果紅溶液時，純鐵酸鉍對剛果紅的降解率為35%左右，Y5樣品對剛果紅的去除率可達到86%，比純鐵酸鉍的降解效果增加56%左右。剛果紅濃度與其初始濃度之比(Ct/C0) 隨時間的變化成指數關系[9]，符合擬一級反應動力學方程。

2) BFO光催化降解廢水溶液后，COD濃度減少17%，而加入Y5樣品后COD的濃度含量降解了31%。鐵酸鉍催化劑對水中的COD濃度有一定的降解作用，摻雜Y后催化劑比純鐵酸鉍對COD的降解效果更好。

3) 加入草酸銨以后，催化劑對剛果紅的降解率為43.6%左右。由此可知，復合光催化劑光催化降解剛果紅時起主要作用的活性物質是空穴[10]。