水熱法制備鎢酸鉍及其光催化性能

崔心蕾，余夢春，王哲禹

（綏化學(xué)院，黑龍江綏化 152001）

1 概述

在如今這個科學(xué)技術(shù)不斷更新的社會中，環(huán)境污染和能源日漸枯竭的問題不斷發(fā)生，解決這兩大難題成為人類共同的愿望。如今，許多人還沒有保護環(huán)境的意識，許多工廠產(chǎn)生的廢水沒有采取任何處理過程就隨意排放，生活中產(chǎn)生的污水也不經(jīng)過集中處理，不合理地使用化肥農(nóng)藥等問題使得環(huán)境越來越糟糕，現(xiàn)如今水污染已經(jīng)成為世界性難題。鎢酸鉍半導(dǎo)體光催化劑能夠有效地降解有機污染物，并且在可見光照射下能被激發(fā)，所以其活性非常高。與此同時能夠催化分解水，具有非常好的發(fā)展前景。

2 實驗部分

2.1 試劑與儀器

（1）試劑：去離子水為實驗室自制，五水合硝酸鉍、二水合鎢酸鈉、硝酸、氫氧化鈉、亞甲基藍、無水乙醇和十六烷基三甲基溴化銨均為分析純。

（2）儀器：電子天平、磁力攪拌器、電熱恒溫鼓風干燥箱、超聲波清洗器、離心機、馬弗爐、X-射線衍射儀、紫外可見分光光度計。

2.2 材料的制備

在10mL 的稀硝酸中溶解0.971g 的Bi（NO3）3·5H2O 作為A 溶液，在20mL 去離子水中0.329g 的Na2WO4·2H2O 作為B 溶液，在磁力攪拌下將溶液B 逐滴加入A 中，加入表面活性劑CTAB 為0.1g，攪拌使懸浮液分散均勻。得到的懸浮液用NaOH 調(diào)節(jié)pH，然后將懸浮液移至聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，將反應(yīng)釜置于烘箱中進行水熱反應(yīng)，待反應(yīng)結(jié)束后將反應(yīng)釜取出，自然冷卻到室溫。將產(chǎn)品轉(zhuǎn)移到離心管中利用離心機進行高速離心，離心過程中得到的樣品使用去離子水和乙醇交替洗滌三次，隨后在60℃的烘箱中干燥8h，烘干后的產(chǎn)物放入300℃馬弗爐中焙燒2h 后得到Bi2WO6。

2.3 光催化性能測試

取10mL 10mg/L 的亞甲基藍溶液于石英管中，然后稱取0.005g 的Bi2WO6樣品加入石英管中，黑暗處磁力攪拌30min后，在300W 的氙燈光照下反應(yīng)，每隔15min 取一次樣，在離心機中進行高速離心，取離心后的上清液于664nm 的紫外分光光度計中測量其吸光度，然后計算降解率。

3 結(jié)果與分析

3.1 制備條件對鎢酸鉍光催化性能的影響

圖1為不同pH 下制備的Bi2WO6光催化劑對亞甲基藍的降解率曲線。由圖1可以看出，光照60min 后pH 等于1、3、6、9的降解率分別為85.62%、87.93%、84.91%、62.68%。pH 為3時合成的Bi2WO6對亞甲基藍催化效果最好。當pH 為1時，可能因為催化劑生長的形貌不均一或產(chǎn)生結(jié)塊，使得催化劑的光催化活性不高。當pH 大于3時，鎢酸鉍光催化劑的光催化活性逐漸減小，這是由于前驅(qū)體的pH 越大，催化劑的粒徑尺寸平均偏大，導(dǎo)致的光催化活性越低。

圖1 反應(yīng)pH對鎢酸鉍光催化性能的影響

圖2為不同反應(yīng)溫度下制備的Bi2WO6光催化劑對亞甲基藍的降解率曲線。由圖2可知，光照60min 后溫度為120℃、140 ℃、160 ℃、180 ℃的降解率分別為54.30%、70.82%、87.96%、60.62%，溫度為160℃時降解率最好。當溫度低于160℃時，由于某些物質(zhì)不能完全分解揮發(fā)而導(dǎo)致催化劑的活性偏小。當溫度升高到180℃時，因為溫度偏高，生成的顆粒尺寸較大，所以表面積減小，從而導(dǎo)致使其活性位點較低。

圖3為不同反應(yīng)時間下制備的Bi2WO6光催化劑對亞甲基藍的降解率曲線。由圖3 可知，光照60min 后，反應(yīng)時間為2h、4h、6h、8h 的降解率分別為80.09%、87.99%、72.49%、52.10%。水熱反應(yīng)時間為4h 制備的Bi2WO6光催化劑對亞甲基藍的降解效果最好。當反應(yīng)時間長于4h 時鎢酸鉍光催化劑對亞甲基藍的降解效果逐漸降低，這可能是由于反應(yīng)時間過長導(dǎo)致催化劑的活性被抑制，而使其結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定程度上的改變。當反應(yīng)時間過短時，可能因為光催化劑的反應(yīng)不夠充分，而使其光催化性能較低。

圖2 反應(yīng)溫度對鎢酸鉍光催化性能的影響

圖3 反應(yīng)時間對鎢酸鉍光催化性能的影響

圖4 為不同焙燒溫度下制備的Bi2WO6光催化劑對亞甲基藍的降解率曲線。從圖4可看出，光照60min 后焙燒溫度為200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃的降解率分別為81.05%、87.99%、69.69%、68.63%。當焙燒溫度為300℃時對染料的降解率最好。焙燒溫度為200℃時，可能是因為有的有機物質(zhì)未完全揮發(fā)，催化劑孔道被堵住，致使其活性位點較低。焙燒溫度400℃后催化劑對染料的降解率逐漸降低，可能是由于溫度過高使催化劑的結(jié)構(gòu)遭到破壞導(dǎo)致活性位點減少，所以催化劑的催化性能降低。

圖4 焙燒溫度對鎢酸鉍光催化性能的影響

3.2 鎢酸鉍樣品的結(jié)構(gòu)分析

圖5 最佳條件下制取的Bi2WO6材料的前驅(qū)體及300℃焙燒后的樣品XRD圖

圖5 顯示的為最佳條件下制備的Bi2WO6的前驅(qū)體以及300℃焙燒后樣品的XRD 圖。由圖5可知，沒有生成雜亂的峰，證明合成出的樣品比較純凈，生成的峰型都是較尖銳的，證明得到的樣品的晶型較好。并且每一個衍射峰生成的位置都能與鎢酸鉍的標準卡片（JCPDS NO.39-0256）相對應(yīng)[3]。所以無論是前驅(qū)體還是焙燒后的樣品都是比較純凈且晶型較好的鎢酸鉍材料。

4 結(jié)束語

本論文采用水熱法合成鎢酸鉍光催化劑，目標降解物為亞甲基藍，對所合成的催化劑的催化性能進行了研究分析，主要結(jié)論如下：

1）采用水熱法合成鎢酸鉍，最佳的合成條件是pH 為3，反應(yīng)時間為4h，反應(yīng)溫度是160℃，焙燒溫度為300℃，焙燒時間為2h。在氙燈照射下，鎢酸鉍光催化劑在60min 內(nèi)對亞甲基藍的降解率可達87.99%。

2）對最佳合成條件下制備的樣品進行XRD 檢測，產(chǎn)生的衍射峰與鎢酸鉍標準卡片一致，證明合成的樣品無論是前驅(qū)體還是焙燒后的都是純度較高且結(jié)晶性較好的Bi2WO6材料。