淺談可見光鉍系光催化劑的應(yīng)用

張博文

【摘 要】可見光鉍系光催化劑是一種新型催化劑，在處理難降解的有機(jī)物上，表現(xiàn)出了良好的活性。本文針對目前市面上常見的幾種可見光鉍系光催化劑的特點(diǎn)、作用等進(jìn)行了介紹，并指出在未來階段下可見光鉍系光催化劑的應(yīng)用方向。

【關(guān)鍵詞】可見光鉍系光催化劑；類型；應(yīng)用；趨勢

鉍系催化劑作為新型的光催化材料，目前在光催化領(lǐng)域一直備受關(guān)注。光鉍系催化劑有著良好的可見光催化活性，是研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題，本文就可見光鉍系光催化劑的應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行分析。

1 氧化鉍催化劑

氧化鉍催化劑是以超聲化學(xué)聯(lián)合方法合成納米氧化鉍粉末，能夠在可見光的照射下，使甲基橙降解率達(dá)到百分之八十六，生成氧化氮、二氧化氮和二氧化碳等無機(jī)物，具有可見光催化活性。近幾年對氧化鉍光催化劑的報道主要在氧化鉍的金屬離子摻雜改性上。

氧化鉍單獨(dú)作為催化劑的催化效果不太明顯，目前主要是研究鈦酸鉍系列化合物，鉍與其他金屬復(fù)合，可以組成新的固溶體化合物，表現(xiàn)出了優(yōu)越的物理和化學(xué)性能。

2 鈦酸鉍系列催化劑

氧化鉍和氧化鈦復(fù)合形成多種晶相結(jié)構(gòu)的復(fù)合氧化物，都被稱為鈦酸鉍化合物，研究者對其獨(dú)有的晶體和電子結(jié)構(gòu)光催化性能的研究，投入了大量的精力，取得了豐碩的成果。研究結(jié)果顯示，在紫外線的影響下，鈦酸鉍催化劑可以產(chǎn)生更加理想的光催化效果，但是很少有學(xué)者針對可見光對于鈦酸鉍系列催化劑性能的影響展開研究，相關(guān)的研究是近年來才開展。

對于氧化鉍和氧化鈦，都可以應(yīng)用固相合成方法進(jìn)行制備，實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果顯示，物質(zhì)量不同，那么形成的晶體結(jié)構(gòu)也存在差異。隨著量比的增長，BTO禁帶寬度變窄，可見光的相應(yīng)范圍反而變寬。

鈦酸鉍系列的化合物在可見光下也具有光催化活性，能夠分解有機(jī)物，但是由于鈦酸鉍結(jié)構(gòu)的多樣性以及合成條件是非常多樣的，常用的方法有固相合成法、化學(xué)溶液分解法、水熱合成法等等，目前，人們對此類型化合物的研究還有待深入，相關(guān)的研究還處于初級階段，有待進(jìn)一步的完善。

3 鎢酸鉍系催化劑

鎢酸鉍系催化劑有著獨(dú)特的電子多功能性與分子多功能性，穩(wěn)定性非常高，有著良好的發(fā)展前景，鎢酸鉍系催化劑是基于研究人員對可見光照射下降解燃料污染物的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在氧化鉍層之中，需要添加鈣鈦礦層，這可以有效提升可見光吸收性，目前，研究人員針對鎢酸鉍系催化劑表面積與結(jié)晶度的改善進(jìn)行了深入的研究，相關(guān)人員開始將納米技術(shù)引進(jìn)到其中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著溫度的上升，三、鎢酸鉍系催化劑結(jié)晶度也會上升，表面積減少，在200℃的環(huán)境下，納米片中的納米晶會與之形成異質(zhì)結(jié)，并產(chǎn)生電荷，提高了催化劑的使用壽命。

4 鉬酸鉍系催化劑

鉬酸鉍的類型非常多樣，每一種相，都有不同的特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)，有的鉬酸鉍氣體傳感性能好，有的鉬酸鉍光催化活性較好。在2008年，鉬酸鉍研究成功，2010年，Zhang等合成了正交晶系Bi2MoO6顆粒，通過可見光降解亞甲基藍(lán)，120min后降解率達(dá)到90%.表明活性依賴于晶體形狀、晶體尺寸和結(jié)構(gòu)。

5 復(fù)合型催化劑

半導(dǎo)體催化劑能隙寬帶，會直接影響光的響應(yīng)范圍，元素類別不同，也會形成相應(yīng)的雜化軌道，這些軌道會影響正常的光生空穴，繼而降低光生空穴以及光生電子的復(fù)合率，與此同時，提高光催化活性。針對這一問題，研究人員開始將雜化軌道引入到價帶能級的研究中，也取得了豐碩的成果。目前，人們已經(jīng)成功研制出鉍元素與其他金屬的復(fù)合催化劑，在光激發(fā)之后，表現(xiàn)出了良好的性能。

釩鉍鈉和硝酸鉍也是一種理想的釩酸鉍催化劑，屬于納米級催化劑，其催化效果會受到水熱時間與水熱溫度等因素的影響，繼而干擾光催化的效果以及催化劑結(jié)構(gòu)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，160度的水熱反應(yīng)經(jīng)過12小時，合成了釩酸鉍，在500瓦的氙燈光照下若丹明B染料被降解，光照120分鐘，降解率大約是百分之九十。Zhou L等用高強(qiáng)度的超聲方法合成釩酸鉍，可見光照射下能夠?qū)θ舻っ鰾降解，經(jīng)過150分鐘光照后，降解率大約達(dá)到百分之五十五。

釩酸鉍具有三種結(jié)構(gòu)，單斜晶結(jié)構(gòu)、四方晶的scheelite結(jié)構(gòu)和四方晶zircin結(jié)構(gòu)。經(jīng)過研究證明，只有單斜晶結(jié)構(gòu)的釩酸鉍具有光催化活性，這可能是由于其所含有的BI--o多面體結(jié)構(gòu)的特有的畸變造成的。Zhang L等利用水熱合成的具有單斜晶結(jié)構(gòu)的釩酸鉍，在太陽光照下降解若丹明B，經(jīng)過光照180分鐘，降解率達(dá)到百分之七十。

6 固溶體型催化劑

Yao W F 等應(yīng)用固相合成法，成功生產(chǎn)出化合物，在X值相同時，隨著合成溫度的升高，催化劑活性反而會下降，究其根本原因，是由于在高溫環(huán)境下，V、Bi與Mo元素出現(xiàn)揮發(fā)，增加了合成催化劑陷位，如果在其中增加催化劑，可見光照射分解水，產(chǎn)生氧氣的初始速率要遠(yuǎn)高于釩酸鉍。合成的這一系列固溶化催化劑，在紫外線的作用下，會表現(xiàn)出良好的光催化活性，但是關(guān)于可見光光催化活性的研究，還處于初級階段。

根據(jù)研究顯示，可見光的存在可以顯著提升可見光鉍系光催化劑的活性，達(dá)到降解污染物的目的，有著廣闊的發(fā)展前景。近年來，研究人員針對可見光鉍系光催化劑的能帶結(jié)構(gòu)、組成結(jié)構(gòu)、降解機(jī)理等問題進(jìn)行了詳細(xì)的分析，對于提高催化劑活性，發(fā)現(xiàn)新型催化劑，有著極為重要的意義。此外，催化劑合成方法的選擇對于催化劑結(jié)構(gòu)形成也有重要影響，在催化劑活性的提高上具有重要的作用，以后對合成方法的研究和創(chuàng)新將會成為研究可見光催化的熱點(diǎn)問題。不同類型的可見光鉍系光催化劑，在降解針對性與選擇性方面，存在較大的差異，在未來階段下，關(guān)于可見光催化的研究重點(diǎn)，會集中在光催化活性評價的評估、新型高效光催化劑、催化激勵以及負(fù)載技術(shù)的研究上。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]