水熱法制備釩酸鉍及其光催化性能研究★

崔心蕾，李 冉，代懿涵，王哲禹，國林玉，王鑫怡

（綏化學院，黑龍江 綏化 152000）

0 引言

隨著光催化技術的發展，半導體光催化劑也得到了迅速發展，釩酸鉍近年來被科學家們應用在光催化領域，是在可見光下催化性能較好的光催化劑，由于其具有良好的光催化特性[1]，使人們越來越關注釩酸鉍在光催化領域的研究。釩酸鉍催化劑具有很多優點，如，化學穩定性較好、在水溶液中穩定性好，在水溶液中無毒、對環境無毒，降解有機物能力強，能夠達到降解有機物的目的[2]。釩酸鉍催化劑本身無毒無害的性質，還可用應用于多種領域，如，釩酸鉍呈亮黃色所以可用作無機染料，導電性較好可用作電極材料，利用光催化殺菌性質可以作為抗菌材料[3]。我國在光催化研究上正處于快速發展的階段，許多高等院校和研究院都開展了這項研究工作。同時，由于目前我國在治理環境污染層面有著巨大需求，因此對光催化的研究是十分必要的。

1 實驗部分

1.1 水熱法制備釩酸鉍

稱取質量比為5∶1 的釩酸銨（NH4VO3）和硝酸鉍[Bi（NO3）3·5H2O]粉末放入燒杯中，然后加入2 mol/L的HNO3溶液，得到的懸浮液用NaOH 調節其pH 值。攪拌半小時后，把懸浮液倒入聚四氟乙烯反應釜中進行水熱反應，反應結束后將反應釜取出，待反應釜冷卻后將得到的產品用水和無水乙醇清洗6 次，最后放入烘箱中于100 ℃干燥4 h。

1.2 光催化性能測試

取5 mL 質量濃度為10 mg/L 的羅丹明B 溶液于20 mL 石英管中，再用分析天平稱量5 mg 釩酸鉍粉末加入石英管中，放入超聲機中超聲5 s，隨后放入光催化儀中進行暗反應，暗反應半小時后取出，將溶液倒入離心管中離心取上層清液，使用紫外分光光度計在554 nm 的吸收波長下測其吸光度，然后將取出的溶液全部倒回石英管中，用300～500 W 金鹵燈照射，每隔半小時重復上述步驟測得吸光度，然后根據式（1）計算降解率，找到最佳的水熱反應條件[4]。

式中：A0為羅丹明B 溶液的初始吸光度；A 為羅丹明B 的質量濃度，mg/L。

1.3 催化劑的表征

使用X 射線衍射（XRD）對最佳水熱合成條件下制備的釩酸鉍催化劑進行結構表征，2θ 的測量范圍為10°～80°。

2 實驗結果與分析

2.1 水熱反應pH 對催化劑光催化性能的影響

在水熱反應中當pH 為6、7、8、9 時合成釩酸鉍催化劑，在金鹵燈照射120 min 后，對羅丹明B 溶液的降解率分別為74.0%、88.7%、68.4%、61.5%。圖1 可以看出，催化劑堿性越強得到的降解率越低，而在中性條件下降解率最高，說明中性條件下制得的催化劑光催化效果最好。由文獻表明，水熱反應pH 為7 時制備的BiVO4催化劑，由于粒徑較小、畸變程度大、晶面裸露度高及光生電子和空穴復合率低的特點，顯示出了優異的光催化性能[5]。所以將后續實驗中水熱反應pH 設定為7。

圖1 反應pH 對催化劑光催化性能的影響

2.2 水熱反應溫度對催化劑光催化性能的影響

將水熱反應溫度設為200、180、160、140 ℃的條件下制得釩酸鉍催化劑，光催化羅丹明B 的降解率分別為44.2%、54.9%、68.6%、82.9%。由圖2 數據可以得出，水熱反應溫度越高，光催化效果越差，水熱反應溫度越低，催化劑對羅丹明B 的光催化效果越明顯。這是因為，高溫破壞了催化劑的結構，降低了催化劑的光催化性能，所以又將溫度設制為120、100、80、60 ℃的條件下制得釩酸鉍催化劑，其他反應條件不變，對羅丹明B 溶液的降解率分別為88.7%、96.5%、70.9%、60.9%。結果表明，溫度過低會導致反應不充分，沒有使催化劑形成較好的晶型，導致催化劑的光催化性能不理想。水熱應溫度為100 ℃時催化效果最好，所以將反水熱應溫度設定為100 ℃。

圖2 反應溫度對催化劑光催化性能的影響

2.3 反應時間對催化劑光催化性能的影響

在反應時間為4，6、8、10 h 的條件下合成釩酸鉍催化劑，通過計算得出，光照120 min 后催化劑對羅丹明溶液的降解率分別為56.9%，66.9%、96.5%、77.6%（圖3）。實驗發現，8 h 的條件下制得的釩酸鉍催化劑量最多，催化劑的光催化效果最好；4 h 時的條件下得到的釩酸鉍催化劑量最少，催化劑的光催化效果最差。這表明催化劑的性能與反應時間有關，由于反應時間不夠，導致催化劑沒有充分反應，所以催化劑的光催化效果不好；而反應時間太長，會破壞催化劑的晶型，降低催化劑的光催化性能。

圖3 反應時間對催化劑光催化性能的影響

2.4 樣品的物相分析

圖4 是在最佳水熱反應條件下制備的BiVO4樣品的XRD 圖譜，樣品在（011）、（110）、（121）、（040）、（200）、（002）、（141）、（151）、（231）、（240）、（202）、（161）存在衍射峰，經過比對所有衍射峰與標準卡片BiVO4（JCPDSNO 14-0688）上衍射峰基本一致，表示合成的催化劑為單斜相純BiVO4。圖4 可以清楚地看到，XRD 圖譜中沒有雜質峰出現，并且特征峰都很尖銳，說明制得的BiVO4純度較高[6]。

圖4 最佳水熱反應條件下制備的BiVO4 樣品的XRD 圖

3 結論

本文通過改變水熱反應條件，制得光催化性能不同的釩酸鉍催化劑，把羅丹明B 的脫除作為指標，以金鹵燈為光源進行光催化測試，確定最佳的水熱反應條件，并用XRD 進行表征。結果表明：

1）水熱法制備釩酸鉍光催化劑的最佳水熱反應條件為：水熱反應pH=7、反應溫度100 ℃、反應時間8 h。

2）在最佳水熱反應條件下制備的釩酸鉍光催化劑，用金鹵燈照射，羅丹明B 為目標降解物，光催化120 min 后降解率達到96.5%。

3）通過XRD 分析可知，在最佳水熱反應條件下得到的催化劑為單斜相純BiVO4。