絡(luò)合劑對Ti摻雜BiFeO3光催化材料的影響

□王 晶 孟 帥 張瀚洋 李淵哲 辛益潔 楊梁 王麗麗

隨著我國社會經(jīng)濟和工業(yè)化的飛速發(fā)展，環(huán)境惡化和水污染問題日趨嚴(yán)重。傳統(tǒng)水處理工藝中的物理、生物方法無法有效地處理水體污染。自1972年發(fā)現(xiàn)TiO2光催化性質(zhì)以來，半導(dǎo)體光催化技術(shù)作為一種新型環(huán)境凈化技術(shù)，在處理許多有毒有害有機物方面相較于其他技術(shù)擁有其獨特優(yōu)勢，為高效治理有機污染物廢水提供了方法。BiFeO3作為一種典型的鈣鈦礦多鐵材料，相較于傳統(tǒng)的光催化劑，BiFeO3禁帶寬度約為2.2eV，可吸收紫外光和波長小于560nm的可見光。由于其特殊的結(jié)構(gòu)和良好的催化性能，BiFeO3催化劑可較好地處理有機污染物。為了進(jìn)一步提高半導(dǎo)體材料光催化性能，人們對半導(dǎo)體材料的改性和制備方法進(jìn)行了研究。大量科研結(jié)果證明摻雜是一種改變材料物理性質(zhì)的好方法，可以通過離子摻雜來提高BiFeO3的性能。據(jù)文獻(xiàn)可知，利用Ti摻雜BiFeO3光催化材料可以明顯提高其光催化性質(zhì)，并對材料的形貌以及粒徑有一定的影響。通過溶膠-凝膠法制備的Ti-BiFeO3催化劑禁帶寬度較窄，對太陽光的響應(yīng)發(fā)生紅移，對一定范圍內(nèi)的太陽光的響應(yīng)強度增強，提高了樣品對太陽光的利用效率，增強了催化劑的光催化活性。我們利用溶膠-凝膠法制備BiFeO3材料。為了進(jìn)一步改善半導(dǎo)體材料光催化性能，通過摻雜的方法對BiFeO3材料進(jìn)行改性，制備出Ti摻雜BiFeO3光催化材料。且因絡(luò)合劑的加入會影響氧化速率及個別物質(zhì)結(jié)構(gòu)，所以本實驗通過溶膠-凝膠法，在Ti-BiFeO3催化劑中加入質(zhì)量不同的絡(luò)合劑，探究光催化性能與絡(luò)合劑的聯(lián)系，探討絡(luò)合劑對Ti-BiFeO3光催化材料的影響。

一、實驗部分

(一)絡(luò)合劑加入Ti-BiFeO3樣品制備。采用溶膠-凝膠方法，調(diào)節(jié)實驗中絡(luò)合劑檸檬酸的質(zhì)量制備系列Ti摻雜BiFeO3顆粒前驅(qū)體。首先按一定化學(xué)質(zhì)量比加入Bi(NO3)3、Fe(NO3)3、鈦酸四丁酯制成四組試樣，再分別向試樣中加入0g、4g、8g、12g的檸檬酸配制成檸檬酸含量不同的四組樣品。將樣品先分別溶于90ml水中，再分別向溶液中逐滴加入10ml HNO3，攪拌至溶解后制得A、B、C、D四組試劑。將四組試劑放入干燥箱中烘至干燥，干燥好的Ti摻雜BiFeO3顆粒前驅(qū)體分別研磨后放入高溫爐中進(jìn)行650℃的燒結(jié)處理，升溫速率為10℃/min，高溫?zé)Y(jié)形成Ti摻雜BiFeO3復(fù)合材料。最后進(jìn)行光催化處理，將樣品分組放入離心管中待用。

(二)樣品的表征。利用TD-3000型多晶X射線衍射儀表征Ti摻雜BiFeO3的相結(jié)構(gòu)，并對其測得的數(shù)據(jù)用Jade進(jìn)行標(biāo)定分析。利用紫外可見漫反射儀(UV-Vis)測試Ti摻雜BiFeO3光催化材料在加入不同質(zhì)量絡(luò)合劑時的光吸收率，并分析其光催化性能。

二、結(jié)果與討論

(一)XRD譜圖。圖1中分別是檸檬酸含量為0g、4g、8g和12g的Ti-BiFeO3樣品材料煅燒所制得的樣品的XRD譜圖。從圖1中可以觀察到，位于22.490°、31.808°、39.509°、45.813°、51.814°、57.012°、67.087°處的主要衍射峰為BiFeO3衍射峰，與JCPDS NO.20-0169卡片相對應(yīng)，證明已成功制備BiFeO3樣品。此外，在系列Ti摻雜BiFeO3顆粒前驅(qū)體中也存在少量雜峰，經(jīng)軟件分析檢測出為Bi2Fe4O9衍射峰。隨著檸檬酸用量的增加，其強度出現(xiàn)先增加后減小的趨勢。根據(jù)一系列可靠數(shù)據(jù)表明，檸檬酸的用量對樣品的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

圖1 不同質(zhì)量絡(luò)合劑的Ti摻雜BiFeO3光催劑的XRD譜圖

(二)UV-Vis的測定結(jié)果及分析。光的吸收能力的強弱同樣也是制約光催化性能的因素之一。因此，利用紫外可見漫反射儀分析檸檬酸的用量對Ti摻雜BiFeO3材料的光吸收能力的影響。圖2(a)、(b)、(c)、(d)四幅圖分別為含0g、4g、8g和12g檸檬酸的Ti-BiFeO3樣品材料的紫外吸收全譜圖。樣品的最大吸收峰在525nm～575nm之間，隨著降解的進(jìn)行吸收峰逐漸減小。由圖2可以看出，圖(a)的最大吸收峰降低程度最大，樣品材料的降解效果優(yōu)于其他三組樣品。實驗結(jié)果表明，在本實驗中絡(luò)合劑的加入降低了Ti-BiFeO3樣品材料的光的吸收能力。

圖2 四組不同質(zhì)量絡(luò)合劑的Ti摻雜BiFeO3材料紫外可見漫反射圖譜

(三)對降解效率的影響。圖3為不同絡(luò)合劑質(zhì)量下Ti摻雜BiFeO3材料降解曲線。由圖3可知，檸檬酸質(zhì)量為0g時Ti-BiFeO3樣品的降解活性最佳，反應(yīng)40min后，降解效率約為45%～50%；當(dāng)檸檬酸含量分別為4g、8g、12g時所制得的樣品降解效率及光催化活性明顯下降。因此，當(dāng)沒有檸檬酸加入時，Ti-BiFeO3樣品材料具有最高的光催化活性，即光催化性能最佳。

圖3 不同絡(luò)合劑質(zhì)量下Ti摻雜BiFeO3材料降解曲線

三、結(jié)語

利用溶膠-凝膠法，在其他條件相同的情況下成功制備出絡(luò)合劑含量不同的系列Ti摻雜BiFeO3光催化材料。根據(jù)XRD、UV-Vis表征結(jié)果分析及一系列實驗結(jié)果表明，樣品中含有適量的Bi2Fe4O9相有利于提升樣品的光催化性能；樣品中不含有檸檬酸時，光吸收能力最好，降解效率最高且光催化活性最好，在系列Ti摻雜BiFeO3光催化材料中絡(luò)合劑質(zhì)量為0g時光催化性能最佳。由此可得，在本實驗中，絡(luò)合劑的加入降低了Ti-BiFeO3材料的光催化性能。