關慶豐，趙世鐸，高 新，劉怡麗，史久靜，林 雪

(1．江蘇大學 材料科學與工程學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.吉林師范大學 化學學院,吉林 四平 136000)

釩酸鉍系光催化劑研究進展

關慶豐1，趙世鐸2，高 新2，劉怡麗2，史久靜2，林 雪2

(1．江蘇大學 材料科學與工程學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.吉林師范大學 化學學院,吉林 四平 136000)

釩酸鉍系光催化劑在降解水環(huán)境中有機污染物方面具有良好的可見光催化活性，本文介紹了釩酸鉍光催化劑的研究動態(tài)和主要成果，并對釩酸鉍系光催化劑的發(fā)展趨勢進行了展望.

釩酸鉍；光催化劑； 光催化氧化

0 引言

染料廢水是主要的有害工業(yè)廢水之一，具有成分復雜、污染范圍廣、危害大等特點，主要來源于染料及染料中間體生產(chǎn)行業(yè)，由各種產(chǎn)品和中間體結(jié)晶的母液、生產(chǎn)過程中流失的物料等組成．將染料排放至水體環(huán)境中會引起嚴重的環(huán)境污染和健康問題[1-2].我國是染料生產(chǎn)大國，紡織染料工業(yè)近年來發(fā)展迅速，目前我國各種染料產(chǎn)量已達90萬噸以上，染料產(chǎn)量占世界的60%左右，因此我國染料污染問題十分嚴重，可以說對這一問題的解決已到了刻不容緩的地步.許多研究報告表明有毒有害染料已廣泛存在于土壤、地表水、地下水、沉積物和城市污水中[3].因此，消除環(huán)境中染料廢水帶來的環(huán)境污染問題已成為科研工作者迫切需要解決的重大問題.

處理這類污染物的傳統(tǒng)方法主要依靠吸附法、過濾法、物理吸附絮凝、微生物降解、電解處理法、化學氧化法等方法，這些方法存在處理速度慢、凈化不徹底及不可避免地會造成二次污染等問題[4-5].近年來，應用新型半導體材料光催化降解有機污染物廢水因其具有降解完全、速度快、廉價、無毒等優(yōu)點，同時可有效利用太陽光作為光源以緩解能源危機而引起了研究者的廣泛關注[6-7].

光催化技術(Photocatalytic Technique)清潔、環(huán)保、友好，可有效去除環(huán)境中的有機污染物.研究者多以微/納米半導體氧化物(如TiO2)作為光催化材料，對環(huán)境中含有機污染物廢水進行光催化處理，取得了可行性的研究結(jié)果[8-9].但是，由于常用的普通微/納米半導體氧化物光催化劑顆粒(如TiO2等)自身的局限性(帶隙較寬，約為3.2 eV)導致其不能有效的利用太陽光能源.達到地球表面的太陽光中能激發(fā)TiO2的紫外線(≤387 nm)只有5%，而人工UV光源相對比較昂貴需要消耗大量的電力，因而在很大程度上限制了該方法的應用.可見光約占太陽光總能量50%，到達地球表面的能量可高達1.5×1024J/a，是人類每年消耗總能量的一萬倍，因此利用太陽光中可見光意義重大.人們一直致力于研究新的催化劑和新的光催化方法，以充分利用可見光和提高光催化效率來治理環(huán)境污染物.因此，制備穩(wěn)定、可控、高效光催化劑的方法及半導體材料，研究與之相關的光催化降解因素及機理過程(平衡、動力學、熱力學及界面化學現(xiàn)象)成為目前研究的活躍領域.

近年來，釩酸鉍系半導體材料因其在可見光輻照下對難降解有機物具有良好的催化作用而成為新型光催化材料的研究熱點之一[10].然而，傳統(tǒng)的固相法制備的釩酸鉍材料除了具有相對較低的量子效率外，還因?qū)梢姽饫寐什桓?，限制了它在光催化方面的應?為了提高其光催化活性，科學工作者們在不斷探尋各種新型高效、穩(wěn)定的光催化材料的同時，也在致力于探究光催化的基本原理，力圖提高其光催化效率，并且在工業(yè)化應用等方面進行了廣泛的嘗試和深入的研究.

1 釩酸鉍系光催化劑研究

近年來，我們課題組采用水熱法制備了系列釩酸鉍(BiVO4)光催化材料，研究了不同條件下制備的釩酸鉍材料的光催化性能，并討論了其形貌及結(jié)構(gòu)對其性能的影響規(guī)律.

2013年，我們課題組采用水熱法制備了魚骨狀BiVO4(如圖1)[11]， 所制備的BiVO4具有較好的可見光催化活性，其經(jīng)可見光照射180 min對羅丹明B降解率可達100%.

圖1 水熱法制備的魚骨狀BiVO4 的TEM照片

同年，我們制備了球形、花形和線狀BiVO4光催化劑 (如圖2)，并討論了形貌對其性能的影響[12].

圖2 水熱法制備的球形、花型和線狀BiVO4 的TEM照片

近期，我們報道了球形、啞鈴狀、紡錘狀及稻穗狀BiVO4材料的水熱制備(如圖3)[13]．其中，稻穗狀BiVO4納米結(jié)構(gòu)光催化劑經(jīng)可見光照射180 min對羅丹明B降解率可達100% (如圖4).

圖3 水熱法制備的球形、啞鈴狀、紡錘狀和稻穗狀BiVO4 的SEM照片

圖4 稻穗狀BiVO4 降解羅丹明B圖

2 釩酸鉍系光催化劑研究展望

釩酸鉍基光催化材料在可見光下的光催化活性雖然較傳統(tǒng)催化劑TiO2已有顯著提升，但是由于其量子效率較低，因此離工業(yè)化應用仍有較遠的距離.提高釩酸鹽光催化效率的途徑主要有提高其可見光吸收效率，降低光生電子和空穴的復合幾率等.目前，大多數(shù)研究主要通過改變化學合成工藝參數(shù)、金屬及非金屬離子摻雜和無機化合物復合等手段來提高釩酸鉍材料光催化劑的光催化效率，已取得了一些有意義的研究成果，但對其光學性能、能帶結(jié)構(gòu)以及降解機理仍需要進一步討論.關于釩酸鉍系光催化劑合成方法的探索已經(jīng)逐漸完善，如通過改變化學合成工藝參數(shù)控制產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)和形貌以調(diào)控其性能.同時，光催化劑的固定和再生是光催化技術的關鍵問題.因此，我們課題組未來的工作將圍繞尋找合適的載體和固定化方法，通過引入具有吸附功能的載體，制備負載型光催化劑，將吸附、降解、分離有機地結(jié)合起來，以提高光催化劑的光催化效率；并對釩酸鉍系材料的構(gòu)效關系進行探討，同時對釩酸鉍系材料能帶結(jié)構(gòu)及降解機理進行深入的學習.

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DevelopmentofBismuthVanadatePhotocatalystsResearching

GUANQing-feng1,ZHAOShi-duo2,GAOXin2,LIUYi-li2,SHIJiu-jing2,LINXue2

(1.School of Materials Science and Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China;2.College of Chemistry,Jilin Normal University,Siping 136000,China)

Bismuth vanadate photocatalysts have good photocatalytic activity for the degradation of organic pollutants in wast water under visible light irradiation.This paper reviews the development of BiVO4photocatalysts,and gives the prospect of bismuth vanadate photocatalysts.

Bismuth vanadate; photocatalysts;photocatalytic oxidation

郎集會)

2014-05-29

國家自然科學基金項目(50671042,U12331111);江蘇大學高級人才基金(07JDG032)

關慶豐(1963-),男,吉林省長春市人,現(xiàn)為江蘇大學材料科學與工程學院教授,博士，博士生導師.研究方向:微結(jié)構(gòu)、表面改性及功能材料.

X131.2

A

1674-3873-(2014)03-0022-03