BiPO4/BiOBr復合催化劑的制備及光催化降解羅丹明B活性的研究

丁宇航,張 悅,葛奉娟,朱 捷

(徐州工程學院 化學化工學院，江蘇 徐州 221111)

光催化因其在環境修復和清潔能源生產中的潛在應用，吸引了許多關注。基于鉍的半導體光催化劑被認為是有吸引力的污染物降解候選物[1]。作為典型鉍基光催化劑，BiOX (X = F，Cl，Br，I)由于其穩定性，合適的帶隙和優異的光催化活性而引起了對污染物降解的極大興趣[2]。但BiOBr光催化劑仍然具有幾個缺點，例如光生電子-空穴對的快速復合以及有限的可見光響應區域。p-n異質結被認為是分離和移動電子-空穴對的有效且有前景的結構，因此構建p-n異質結就能解決BiOBr 的這個缺點。例如，BiOBr/BiPO4復合材料就大大提高了光催化活性[3]。本文通過水熱法制備了BiPO4/BiOBr復合催化劑，并進行了XRD和光催化降解羅丹明B的活性研究，并對機理進行了簡單的闡述。

1 實驗部分

將BiPO4和KBr加入到30 mL去離子水中并超聲處理10min，記為溶液A。接著，將Bi(NO3)3·5H2O溶于3 mL乙酸中獲得溶液B。將溶液B逐滴加入到溶液A中，在室溫下攪拌30min，轉移至水熱釜中，120 ℃下水熱24h，得到的沉淀物經洗滌干燥后得到P/Br物質的量比為4/5的BiPO4/BiOBr復合物(記為P/Br)。

2 結果與討論

BiPO4、BiOBr以及BiPO4/BiOBr復合催化劑的XRD圖如圖1，經對比可知，復合后的BiPO4/BiOBr 樣品同時具有BiPO4和BiOBr的特征衍射峰，說明復合催化劑中BiPO4和BiOBr共存。另外，從圖上明顯可以看出復合后的樣品(001)面的峰比BiOBr的(001)面的峰有顯著提高。通過計算得出，BiOBr在31.8°和10.83°的峰的相對強度比為1∶0.33，而BiPO4/BiOBr在31.8°和10.83°的峰的相對強度比為1∶3.47，可見復合后的樣品(001)面的峰強比復合前的峰強增大了10倍。這是因為BiPO4具有導向作用，更有利于BiOBr的(001)面在BiPO4表面生長。

復合材料在氙燈照射下降解羅丹明B的結果如圖2所示，可以看出復合樣品的催化活性最好。由于較大的帶隙，BiPO4對可見光幾乎沒有響應，在照射140 min后僅能降解12%的羅丹明B，而BiOBr在照射140 min時降解了29%的羅丹明B。相比之下，BiPO4/BiOBr復合樣品具有最好的光催化性能，在照射140min后降解了62%的羅丹明B。這是因為復合樣品形成了異質結，在電場作用下，光生電子可以從BiOBr的導帶快速轉移到BiPO4的導帶，空穴從BiPO4的價帶轉移到BiOBr的價帶，促進了光生電子-空穴對的有效分離，從而在氙燈照射下表現出較高的羅丹明B的降解速率。另外，根據文獻報道[4]，(001)晶面具有更高的光催化活性，因此高比例的(001)暴露面也是復合樣品催化活性明顯提高的原因。

圖1 BiOBr，BiPO4和P/Br樣品的XRD圖

3 結論

本文制備了BiPO4/BiOBr復合催化劑，并進行了XRD表征和降解羅丹明B的活性測試，表明復合催化劑有利于BiOBr(001)晶面的暴露，且復合結構有利于電子-空穴的分離，因而表現出更高的可見光催化降解活性。

圖2 BiOBr，BiPO4和P/Br樣品 的在可見光下降解羅丹明B的活性

致謝

感謝徐州市重點研發計劃(社會發展)項目(KC17154) 和徐州工程學院校級科研項目(XKY2015207)對本工作提供基金支持。