兩步法制備BiVO4/C3N4復合物的光催化行為研究

彭 令，蔣方露，朱紅慶，賴江濤，蒲春花，陳慶淬，楊靜靜,*

(1.重慶化工職業學院 環境與質量檢測學院，重慶 401228;2.西南大學資源環境學院，重慶 400715)

環境污染問題對人類自身的生存與發展構成了嚴重的威脅。現代工業廢水的不達標排放等問題，使得本來已極少的淡水資源加劇短缺，其中在工業廢水中占比較大的印染廢水更是對生態破壞嚴重。采用無毒廉價、反應速度快、降解效率高的半導體光催化氧化技術，是解決印染廢水所帶來的環境污染問題的可行途徑之一。太陽光中紫外光所占的比例約為5%，而可見光所占比例達到43%，因此開發可見光響應的催化劑能顧更大程度的利用太陽光，因此也成為近年來的研究熱點。

BiVO4的禁帶寬度只有2.4eV，能夠響應可見光，并且具有無毒低成本、化學穩定性好、價帶位置較低即具有較強的氧化能力等特點，成為常用的可見光催化劑[1]。但其單獨使用時，在光催化反應過程中光生載流子的分離效率不高，因此限制了其光催化性能的發揮。目前，常采用的提高光生載流子分離效率的方法有負載貴金屬Pt[2]、Ag[3]等助催化劑；與石墨烯復合，比如BiVO4/GO[4]、BiVO4/RGO[5]；與其他半導體復合，比如BiVO4/SiC[6]、BiVO4/TiO2[7]、BiVO4/ZnO[8]等。其中與其他半導體復合形成的異質結構能夠提高光生電子和空穴的分離效率，并且能夠利用兩種半導體各自的優勢。

g-C3N4是2008年由wang[9]等人發現的一種新型的聚合物半導體光催化劑。一經問世就引起了光催化領域的高度關注。它的禁帶寬度為2.7eV，也能響應可見光，其通過對尿素、三聚氰胺等直接煅燒即可得到，制備方法簡單，成本較低，并且本身無毒，是一種非常理想的光催化劑。g-C3N4具有與BiVO4匹配的導帶和價帶位置，并且其導帶位置很高，導帶上的光生電子具有較強的還原能力。兩者復合恰好能發揮兩者各自的優勢。

因此本工作采取兩步法制備得到BiVO4/C3N4復合物，并研究其對RhB染料廢水的降解能力。

1 材料與方法

1.1 所用材料與試劑1.2 催化材料的制備

BiVO4的制備：移取50mL濃度為0.5mol/L的偏釩酸銨溶液于燒杯中，逐滴滴加50 mL濃度為0.5mol/L的硝酸鉍溶液，用1+1氨水調節pH值=4，在水浴鍋中90℃保持3h，冷卻至室溫后抽濾，置于80℃烘箱中干燥1h，待用。

BiVO4/C3N4的制備：分別稱取三份質量為0.02g上述BiVO4于研缽中，再分別加入1，2，4g三聚氰胺，研磨均勻后置于坩堝中，在箱式電阻爐中550℃灼燒2h，保持升溫速度為5℃/min，灼燒后得到的固體標記為BiVO4/C3N4-x (x=50，100，200，即m(三聚氰胺)/m(BiVO4))。

1.3 光催化降解RhB

稱取0.01g催化劑超聲分散于100mL 濃度為20 mg/L的RhB溶液中，在磁力攪拌下暗反應10min，加入0.5 mL雙氧水，開啟氙燈(帶有420nm的截止濾光片)光照60min，每隔10 min取樣，用T6新世紀紫外可見分光度計在波長554nm下進行測試。

1.4 材料的表征

采用X射線衍射(XRD)測定材料的物相，材料的微觀結構形貌通過掃描電子顯微鏡(SEM)進行觀察，材料的能帶結構通過紫外可見漫反射光譜(UV-Vis DRS)來進行測定。

2 結果與討論

2.1 光催化降解羅丹明B行為

圖1 不同樣品對RhB的光催化效果

全部催化劑對RhB的光催化降解效果見圖1。由圖1可見，BiVO4和C3N4在60min內對RhB的降解率為25%和32%，復合物對RhB的降解率要高于單獨的BiVO4和C3N4，Bi-C-50,Bi-C-100,Bi-C-200復合物對RhB的降解率分別達到76%，82%，63%。Bi-C-100的光催化降解RhB的能力最強，降解率達到純BiVO4和純C3N4對羅丹明B的3.3倍和2.6倍。可見在此樣品中，兩者的復合物達到最佳的復合比例。

2.2 材料表征

圖2 所有材料的XRD圖譜

圖2是所有材料的XRD圖譜。由圖2可見，BiVO4是單斜晶型。在13°和27°處對應C3N4的衍射峰，在復合物中都能看到BiVO4和C3N4的衍射峰，說明復合物得到成功制備。從Bi-C-50，Bi-C-100到Bi-C-200，C3N4的相對含量不斷增加，C3N4的衍射峰也在相對增高。

圖3 催化劑的DRS圖譜

圖3是所有材料的DRS圖譜。BiVO4的吸收邊在508 nm，可以得出其禁帶寬度為2.44 eV，C3N4的吸收邊在461 nm，可以得出其禁帶寬度為2.69 eV。復合物的吸收邊在純BiVO4和C3N4的吸收邊之間。可見，所有材料都能響應可見光，禁帶寬度介于2.44和2.69 eV之間。

圖4 Bi-C-100的SEM圖

復合物Bi-C-100的微觀結構如圖4所示。暗色的塊體部分是C3N4，亮白色的顆粒是BiVO4，兩者形成了良好的接觸。這能夠使得光生電子和空穴有效分離，從而提高光催化降解能力。

3 結論

本工作采用兩步法成功制備了不同復合比例的BiVO4/C3N4復合物，與純的BiVO4和C3N4相比，復合物對羅丹明B的光催化降解能力得到大幅提升，其中Bi-C-100型BiVO4/C3N4復合物在60min內催化降解初始濃度為20mg/L羅丹明B溶液，其降解率達到82%，分別為BiVO4和C3N4的3.3倍和2.6倍。在此復合物中，兩者達到最佳的復合比例，形成了良好的接觸，有利于光生電子和空穴的分離，從而提高了光催化降解能力。