我國Bi2WO6基光催化劑制備技術(shù)現(xiàn)狀

辛丙靖，李 鵬，王潤霖

（1.吉林化工學(xué)院，資源與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 吉林 132000；2.北華大學(xué)，理學(xué)院，吉林 吉林 132000）

1 Bi2WO6研究概述

鎢酸鉍 (Bi2WO6)是最簡單的奧氏體相氧化物，有著優(yōu)異的鐵電壓電、熱電、催化性能氧化陰離子導(dǎo)電性能、非線性介電敏感性和發(fā)光性能等物理化學(xué)性能[1]。Bi2WO6晶體是由Bi2O2分子層與WO6八面體層交替排列組成，其晶體結(jié)構(gòu)由WO6八面體通過共頂點(diǎn)的方式相互連接而成的正交晶相[2]。

研究發(fā)現(xiàn)，Bi2WO6是Aurivillius（奧里維里斯）化合物中一種簡單的n型寬帶隙新型半導(dǎo)體光催化材料，同時(shí)Bi2WO6也是一種非金屬含氧酸鹽結(jié)構(gòu)的新型光催化劑。由于鎢酸根離子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不易發(fā)生光腐蝕等優(yōu)點(diǎn)成為了近年以來半導(dǎo)體光催化材料領(lǐng)域里的一個(gè)研究重點(diǎn)，但是因Bi2WO6的禁帶寬度比較大，所以只能在紫外光或部分可見光的條件下才能夠激發(fā)其催化性能[22]。通過尋找合適的配體負(fù)載在Bi2WO6上，以此來減少Bi2WO6的禁帶寬度，是現(xiàn)在研究人員的研究重點(diǎn)。

2 我國鉍系可見光催化劑制備技術(shù)現(xiàn)狀

光催化材料因有著優(yōu)秀的化學(xué)穩(wěn)定性且使用時(shí)耗能低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的開發(fā)與應(yīng)用。截至目前，光催化材料被應(yīng)用在分解醛類、氨氣、NOx（氮氧化物）等方面的空氣凈化，處理只要廢水、造紙廢水、化工廢水等方面的水凈化以及分解病毒、大腸桿菌等微生物的抗菌殺菌上[3]，所以光催化材料是有效解決各類污染物所帶來的環(huán)境污染等問題的方式之一。在光催化材料上最為典型的則是鉍系光催化材料，因其有著獨(dú)特的外部電子結(jié)構(gòu)使得其擁有較短的禁帶和較廣的光譜，受到很多科學(xué)家的青睞。直至現(xiàn)在，鉍系光催化劑主要的研究方向包括有鉍系復(fù)合型催化劑及鉍系化合物型催化劑兩種[4]。

在我國鉍系材料，最早是在20世紀(jì)80年代被應(yīng)用在高介、高壓陶瓷電容器中。陳壽田等[5]人將不同含量的Bi2O3與SrTiO3結(jié)合來提高電容器的介電系數(shù)。隨后在1990年，杜世澤等[6]人將鉍系元素應(yīng)用在陶瓷超導(dǎo)體中，用鉍系元素代替稀土元素以此來降低制造、生產(chǎn)超導(dǎo)體的成本，推動(dòng)了超導(dǎo)體的研究進(jìn)展。在1992年，中科院上海研究所的溫樹林[7]成功的將鉍系高溫超導(dǎo)體由2212低溫相轉(zhuǎn)變成2223高溫相，使我國在1995年進(jìn)入到世界高溫超導(dǎo)研究的領(lǐng)軍人[8]。

隨著我國科學(xué)家對鉍系材料的二十多年的研究與探索，在2005年，山東大學(xué)的許效紅[9]用化學(xué)溶液分解法將鉍系材料制備成光催化材料，運(yùn)用于甲基橙的降解脫色中。從2007年開始我國科學(xué)家針對鉍系的光催化材料的研究就開始多元化，包含有鉍系氧化物、復(fù)合型鉍系催化劑、鈦酸鉍系催化劑等化合物型鉍系催化劑以及固溶體型鉍系催化劑等方向[10,11]。

在制備純相的Bi2WO6這一領(lǐng)域里，我國科學(xué)家分別做出了不同維度的純相Bi2WO6。例如孫浩楠[12]、中科院王實(shí)驗(yàn)組[13]均以乙二醇為溶劑，利用水熱法制備出了一維納米線結(jié)構(gòu)的純相Bi2WO6，有著較高的比表面積且對光能的利用率較高。不僅如此，該結(jié)構(gòu)下的Bi2WO6還利于物質(zhì)進(jìn)行交換。在二維納米片結(jié)構(gòu)上，研究工作者分別采用微波溶劑熱法、超聲波輔助法以及水熱法制備出了二維Bi2WO6納米片，這一種結(jié)構(gòu)的Bi2WO6比表面積比一維的大，使得該形態(tài)結(jié)構(gòu)的Bi2WO6的催化活性大幅度提升。三維結(jié)構(gòu)是由一維或二維組合形成的，這種三維結(jié)構(gòu)既擁有低維度結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具備防止團(tuán)聚的性能，研究工作者分別使用離子交換法和微波水熱法制備出三維結(jié)構(gòu)的Bi2WO6，更進(jìn)一步的提升力比表面積，而且光能的利用率也大大的增強(qiáng)了。不僅如此近年來很多科學(xué)家制備出了各式各樣的Bi2WO6晶體結(jié)構(gòu)，例如鳥巢狀、花型、分等級微球等結(jié)構(gòu)。

Bi2WO6作為一種應(yīng)用前景很好的光催化材料，為了進(jìn)一步降低禁帶寬度對其進(jìn)行改性，以此來提高光催化性能，改性的方法有半導(dǎo)體復(fù)合、金屬沉積以及碳負(fù)載三類。半導(dǎo)體復(fù)合通過形成的固-固異質(zhì)結(jié)界面提高電子躍遷速率，進(jìn)而提高光催化劑催化效能，在2016年，李瑩影通過溶劑熱法以TiO2為配體為Bi2WO6進(jìn)行改性，合成出片狀的TiO2-Bi2WO6復(fù)合型光催化劑，通過進(jìn)行表征分析發(fā)現(xiàn)用半導(dǎo)體TiO2為配體制備出的復(fù)合催化劑其結(jié)構(gòu)是TiO2與Bi2WO6交錯(cuò)式異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，大大的提升了催化劑的比表面積以及拓寬了可見光響應(yīng)范圍。次年，湘潭大學(xué)的卜方舟，以WO3和BiOBr為配體合成了三元復(fù)合催化劑，改善了純相Bi2WO6的催化性能。在2018年北京化工大學(xué)的潘金波先利用水熱法制備出了CdS和QDs兩種半導(dǎo)體，在借助還原法制備出Bi-Bi2WO6，最后以Bi-Bi2WO6為載體制備出了CdS-QDs-Bi-Bi2WO6四元復(fù)合光催化劑，該復(fù)合光催化劑有較強(qiáng)的光吸收以及電子-空穴分離性能，進(jìn)而提升了光催化劑的性能。由于金屬有著優(yōu)秀的導(dǎo)電性和延展性，以金屬為配體，合成復(fù)合型光催化劑也能有效的提升光催化劑的催化活性和性能。早在2013年，西北大學(xué)材料系毛超超將貴金屬Au和Pt通過光助沉積還原法合成了x-Bi2WO6（其中x表示Au或Pt）。不僅如此，還用二氧化鈰對Bi2WO6進(jìn)行負(fù)載合成復(fù)合型光催化劑提升光催化劑的性能。例如，F(xiàn)e3+對Bi2WO6進(jìn)行負(fù)載，使Bi2WO6的禁帶寬度變窄，大幅度的提升光催化劑的催化性能；用Fe3O4進(jìn)行負(fù)載也合成出了高性能的光催化劑；用Ag3PO4為配體，制備出全固態(tài)Z型的Ag3PO4-RGO-Bi2WO6三元復(fù)合光催化劑，有效的產(chǎn)生了光生電子和空穴提升催化性能。近幾年來，由于對共軛大Π鍵的深入研究，很多科學(xué)家也用碳對其進(jìn)行負(fù)載，例如，采用PVP、SDBS、石墨烯、氮化碳以及氧化石墨烯等含碳化合物為Bi2WO6進(jìn)行改性，進(jìn)一步的提升催化劑的催化性能。

從環(huán)境層面上來講，用Bi2WO6基光催化劑處理環(huán)境污染物也是當(dāng)下該領(lǐng)域研究的一項(xiàng)熱點(diǎn)，Bi2WO6基光催化劑在大氣凈化、有機(jī)廢水的處理、殺菌以及重金屬離子處理等方面有能發(fā)揮很大的做用，用該催化劑處理水中的四環(huán)素、羅丹明等污染物都有明顯的降解效果，且優(yōu)于傳統(tǒng)的廢水處理工藝。

3 結(jié)語

本文主要對我國鎢酸鉍基光催化劑制備技術(shù)及現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。Bi2WO6基光催化劑處理水體中污染物是當(dāng)下環(huán)境研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。Bi2WO6基光催化劑在大氣凈化、有機(jī)廢水的處理、殺菌以及重金屬離子處理等方面有能發(fā)揮很大的作用。