匡代洪，杜澤，林寧

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)數(shù)理學(xué)院，烏魯木齊 830052)

在眾多的環(huán)境問題中，有機(jī)污染是最嚴(yán)重的問題之一。然而，傳統(tǒng)的去除有機(jī)污染物的方法，如吸附法、生物法和化學(xué)氧化法等，難以有效處理微量的高毒性有機(jī)污染物[1-2]。光催化氧化具有處理條件溫和、成本低、選擇性好、效率高、氧化動力學(xué)快等優(yōu)點(diǎn)，是目前有機(jī)污染處理技術(shù)的重要發(fā)展方向[3]。其催化原理是光催化劑在光輻照下，產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基、光生空穴和超氧自由基等物質(zhì)，和有機(jī)物發(fā)生氧化反應(yīng)，從而達(dá)到高效降解污染物的目的。隨著環(huán)境凈化技術(shù)的迅速發(fā)展，氧化物半導(dǎo)體光催化劑在解決能源危機(jī)和環(huán)境污染方面具有廣闊的應(yīng)用前景[4-7]，TiO2半導(dǎo)體因其化學(xué)穩(wěn)定性好、低毒、光催化活性高而受到了廣泛的關(guān)注。然而，它們較大的帶隙(銳鈦礦型TiO2為3.2 eV)和大量的電子空穴復(fù)合使TiO2的工作頻率大多限于紫外線區(qū)域，在可見光下的光催化效果不是很好，且目前多為粉末狀形態(tài)，極難回收[8-11]。

為了克服這一限制，人們開始探索了與TiO2不同的其他金屬氧化物的光催化性能。鐵酸鉍(BiFeO3，簡寫為BFO)被認(rèn)為是鈣鈦礦的一種基本材料，是最重要的多鐵半導(dǎo)體材料之一，具有伴生的電、磁有序[12]。BiFeO3的晶體結(jié)構(gòu)為菱形扭曲鈣鈦礦結(jié)構(gòu)[13]，是一種在室溫下具有鐵電性和鐵磁性的多鐵材料[14-15]，并且具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。且BiFeO3是一種高可見光光催化劑[16]。相對于TiO2來說，BiFeO3其禁帶寬度約為2.2 eV，是窄帶隙的半導(dǎo)體，相較于其他多鐵材料，BiFeO3的禁帶寬度最小，可在可見光下響應(yīng)。而且BiFeO3具有鐵磁性易于回收，使之更具有大規(guī)模生產(chǎn)使用的可能性[17-19]。

1 BiFeO3光催化材料的制備方法

BiFeO3的合成方法有很多，目前報道的主要有水熱法、溶膠-凝膠法、共沉淀法等。

1.1 水熱法

水熱法是制備BiFeO3較常用的方法，它是將反應(yīng)物質(zhì)充分溶解在水或其他溶劑中，置于密閉反應(yīng)容器中，在高溫高壓下使原料充分發(fā)生反應(yīng)、結(jié)晶，最終形成所需產(chǎn)物。水熱合成反應(yīng)可以在相對較低的溫度下進(jìn)行，不用進(jìn)行高溫煅燒，有效地避免了煅燒過程中晶粒長大、缺陷形成和雜質(zhì)引入[20-21]。

王珂陽等[22]、Xu等[23]、Di等[24]、Hou等[25]將Bi(NO3)3·5H2O和Fe(NO3)3·9H2O作為原料，KOH為礦化劑，在不銹鋼高壓釜中進(jìn)行水熱處理，最終制備出BiFeO3粉末。Rajitha等[26]采用簡單的水熱法合成了BiFeO3光催化劑，通過在前驅(qū)體溶液中使用不同的KOH濃度來調(diào)節(jié)其形貌和尺寸。研究了不同濃度的KOH礦化劑對BiFeO3的相演化、顆粒大小和形貌的影響。Wang等[27]也利用簡單的水熱法成功地合成了多種形態(tài)(紡錘體、立方體和板狀)的BiFeO3納米結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，在不同的堿性條件下，可得到3種BiFeO3產(chǎn)物。Li等[28]以1.941 g Bi(NO3)3·5H2O和1.616 g Fe(NO3)3·9H2O為原料，并加入比例為1∶9的乙醇和乙二醇，在180 ℃下加熱24 h，然后在550 ℃條件下退火2 h得BiFeO3晶體。Danijela等[29]在傳統(tǒng)水熱法使用磁力攪拌器混合溶液的基礎(chǔ)上，采用超聲波對前驅(qū)體溶液進(jìn)行混合，可以實(shí)現(xiàn)對沉淀的初始分解，最終制備出BiFeO3粉體。李冬雯等[30]以五水合硝酸鉍和六水合氯化鐵為原料，以NaOH為礦化劑，在pH為12，180 ℃下密閉加熱10 h的條件下，經(jīng)研磨，制備出BiFeO3粉末。

1.2 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是將物質(zhì)首先在低溫溶液中反應(yīng)，經(jīng)水解、聚合等化學(xué)反應(yīng)生成溶膠，而后轉(zhuǎn)化成兩相或多項的凝膠，然后經(jīng)過干燥、煅燒等熱處理形成最后的產(chǎn)品。該方法解決了高溫固相反應(yīng)中反應(yīng)物之間擴(kuò)散和組成的均勻性問題[31]。

Dheerendra等[32]將等摩爾質(zhì)量的Bi(NO3)3·5H2O和Fe(NO3)3·6H2O分別溶于冰醋酸。然后在鹽溶液中加入乙二醇并攪拌，直到溶液變得透明。然后，將溶液混合得到的凝膠用旋涂法在FTO玻璃上沉積。最后，將FTO[摻雜氟的SnO2導(dǎo)電玻璃(SnO2∶F)，簡稱為FTO]玻璃在80 ℃烘干一夜后，放入馬弗爐中，在500 ℃下煅燒2小時得到BiFeO3。Wu等[33]采用溶膠-凝膠法制備納米BiFeO3。該工藝選用的原料為Bi(NO3)3·5H2O和Fe(NO3)3·6H2O，在溶液中加入適量的檸檬酸作為螯合劑。溶液在70 ℃攪拌3 h形成棕色透明凝膠，隨后在120 ℃的烤箱中保存16 h得到干凝膠。然后，將干凝膠磨成粉末，轉(zhuǎn)移到一個坩堝，以速率為5 ℃/min的速率加熱到550 ℃并加熱2 h。自然冷卻后，產(chǎn)品粉末經(jīng)去離子水多次洗滌后，在70 ℃下干燥8 h，得到納米BiFeO3。Kumari等[34]也采用簡單的溶膠-凝膠法在FTO鍍膜玻璃基板上制備了BiFeO3薄膜。

1.3 共沉淀法

共沉淀法是指在金屬鹽的水溶液中通過對反應(yīng)條件的調(diào)控，使沉淀劑與金屬離子反應(yīng)，將溶液轉(zhuǎn)化為沉淀，而后再經(jīng)分離、干燥或熱分解而制得納米級微粒的一種材料制備方法。該方法制備簡單，成本低，得到的產(chǎn)品粒度分布均勻[18]。

Bavani等[35]采用共沉淀法合成了納米BiFeO3，將1 g Bi(NO3)3·5H2O和0.8 g Fe(NO3)3·9H2O溶解在50 mL去離子水中。然后，加入KOH溶液，攪拌1 h后，將形成的反應(yīng)共混物的pH調(diào)至12.0，最后，通過過濾分離得到的沉淀后用去離子水和乙醇持續(xù)沖洗，并在450 ℃退火2 h，制備出BiFeO3。Samran等[36]將Bi(NO3)3·5H2O和Fe(NO3)3·9H2O分別溶解于硝酸和去離子水中，把制備好的兩種溶液混合攪拌，制得沉淀物，將沉淀研磨后于600 ℃下煅燒3 h，最終得到BiFeO3結(jié)晶。Wang等[37]采用化學(xué)共沉淀法在pH 9、600 ℃下燒結(jié)2 h的條件下合成了BiFeO3顆粒。Songul等[38]以Bi(NO3)3·5H2O和Fe(NO3)3·9H2O為原料，在室溫條件下制備了前驅(qū)體和共沉淀溶液。并加入氨水控制pH，在不同的pH(10.64、11.32、11.58)條件下，制備出了不同晶粒尺寸的BiFeO3，考察了pH對粉體粒度性能的影響，得出納米顆粒的尺寸一般隨著pH的增加而減小。Nidhi等[39]以Bi(NO3)3·5H2O和Fe(NO3)3·9H2O為原料，采用軟化學(xué)共沉淀法在不同的退火溫度下(400、500、600 ℃)制備出了不同雜質(zhì)相的BiFeO3顆粒。

1.4 其他方法

除了上述3種主要的制備方法外，BiFeO3的合成方法還有很多。常見的是在傳統(tǒng)制備方法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，如微波、超聲、化學(xué)試劑等輔助手段。

Han等[40]采用微波輔助水熱法制備了鈣鈦礦BiFeO3微球。以Bi(NO3)3·5H2O和Fe(NO3)3·9H2O為原料，Na2CO3和KOH作為礦化劑。在500 W頻率為2 450 Hz的微波爐中140 ℃恒溫35 min，然后在80 ℃下烘干12 h，最終經(jīng)研磨制得成品。Lizbeth等[41]也采用微波輔助水熱法合成了BiFeO3，并通過熱處理將Ag納米粒子與BiFeO3結(jié)合在一起(Ag2O/BiFeO3-Ag)。Mahboube等[42]以檸檬酸為燃料，采用微波輔助溶膠-凝膠法成功合成了鉍鐵氧體(BiFeO3)納米粉體。該方法以0.485 1 g Bi(NO3)3·5H2O、0.403 9 g Fe(NO3)3·9H2O為原料，加入0.333 g檸檬酸作為燃燒劑，再滴加硝酸直到Bi(NO3)3·5H2O溶解，然后滴加氨水使pH達(dá)到7。該混合物在功率為900 W的微波系統(tǒng)中進(jìn)行10 min，直到燃燒至所獲的深棕色粉末，得到的粉末在600 ℃的空氣中以2 ℃/min的速度在熔爐中煅燒2 h，然后慢慢冷卻到室溫。Wang等[43]首次利用酒石酸輔助的溶膠-凝膠技術(shù)成功合成了BiFeO3，以Bi(NO3)3·5H2O和Fe(NO3)3·9H2O為原料，加入酒石酸為螯合劑，形成淡黃色透明溶液再攪拌2～3 h，然后在140 ℃下蒸發(fā)，得到凝膠前驅(qū)體，將凝膠前驅(qū)體在500 ℃的空氣中煅燒1 h，得到BiFeO3納米粒子。Li等[44]采用聚乙烯吡咯烷酮輔助水熱法成功制備了一維、單晶的鐵酸鉍(BiFeO3)納米棒。Jovana等[45]采用超聲輔助溶膠凝膠法合成了BiFeO3納米粉體。還有近幾年發(fā)展起來的制備BiFeO3材料的新方法。Li等[46]以陽極氧化鋁(AAO)為模板，采用模板法成功合成了壁厚超薄的中空BiFeO3納米管。Thomas等[47]以介孔二氧化硅SBA-15為硬模板，預(yù)制金屬羧酸鹽為金屬前驅(qū)體，采用納米澆鑄技術(shù)合成了粒徑為5.5 nm的單分散BiFeO3納米顆粒。所合成的粒子是迄今為止用任何方法制備的BiFeO3粒子中最小的。

2 BiFeO3光催化材料在廢水處理中的應(yīng)用

光催化是水和空氣處理中最便宜、最環(huán)保的方法[48]，BiFeO3是新型鐵電磁性材料，可以吸收太陽輻射來驅(qū)動所需的反應(yīng)，修復(fù)環(huán)境中的污染物，能夠完全分解有機(jī)污染物[49]。

但是現(xiàn)階段BiFeO3對有機(jī)污染物的光催化活性還不能滿足商業(yè)需要，所以大部分研究都聚焦在如何提高催化劑的光催化效果，此類研究又主要圍繞催化劑的改進(jìn)和反應(yīng)條件的優(yōu)化兩方面展開[31]。

2.1 催化劑的改進(jìn)

改善BiFeO3光催化的效果主要方法有離子摻雜、半導(dǎo)體復(fù)合、貴金屬沉積等。這些方法的原理主要是降低BiFeO3的禁帶寬度、抑制電子-空穴對復(fù)合的概率、改變催化劑的粒徑、形態(tài)和比表面積等[50]。

2.1.1 離子摻雜

摻雜金屬離子是鐵酸鉍光催化材料改性方法中常用方法之一，對于提高光催化材料的光催化活性有很大影響，金屬離子會使BiFeO3的結(jié)晶度改變或晶格中形成缺陷。在受到可見光的照射時，金屬離子會成為空穴或電子的俘獲中心，即加快了電荷的轉(zhuǎn)移速率，也使光致載流子有效分離[51]。

胡玉林等[52]采用雙溶劑溶膠-凝膠法制備了不同比例摻Ni的鐵酸鉍BiFe1-xNixO3(BFNO,x=0、0.02、0.04、0.06、0.08)納米粉。對剛果紅溶液在可見光照射下進(jìn)行光催化降解實(shí)驗(yàn)，其光致發(fā)光發(fā)射光譜結(jié)果如圖1[52]所示，表明隨著Ni摻雜量的增加，電子空穴的復(fù)合速率也越低，BFNO光催化活性明顯增強(qiáng)。由剛果紅的光催化降解曲線(圖2[52])，可以看出，8%Ni摻雜的催化劑的催化效果最強(qiáng)。BFNO光催化活性增強(qiáng)可以歸因于Ni摻雜效應(yīng)導(dǎo)致的電子-空穴對復(fù)合效率的降低；摻Ni的BiFeO3粉末的吸收帶邊發(fā)生了紅移，帶隙呈減小趨勢。

BFNO4、BFNO6、BFNO8分別表示Ni添加量為4%、6%、8%

C0為光照前剛果紅溶液的濃度;Ct為光照時間t后的剛果紅溶液的濃度

Li等[53]為了提高BiFeO3的光催化性能，也通過金屬有機(jī)骨架化合物(MFOs)前驅(qū)體的熱分解制備了摻雜不同摩爾濃度Y的BiFeO3納米顆粒。結(jié)果表明Y摻雜導(dǎo)致BiFeO3的粒徑和禁帶寬度減小。Bi0.95Y0.05FeO3的光生電子空穴對的復(fù)合率最低，最佳的光催化活性為Bi0.95Y0.05FeO3。與純BiFeO3相比，Bi0.95Y0.05FeO3在120 min內(nèi)使甲基橙(MO)的降解效率提高了1.3倍。這可能是由于較大的光響應(yīng)范圍和較低的光生電子空穴對復(fù)合速率所致。Dhir等[54]將Bi(NO3)3·5H2O,Gd(NO3)3·3H2O和Fe(NO3)3·9H2O溶于乙二醇制備前驅(qū)體溶液。以與前驅(qū)體1∶1的比例加入酒石酸，攪拌得到棕色凝膠，最后在不同的溫度下(450、550、650 ℃)煅燒4 h制得摻Gd的BiFeO3納米粒子，結(jié)果顯示，摻雜后的BiFeO3納米顆粒的菱面體晶格結(jié)構(gòu)被扭曲，BiFeO3納米粒子的粒徑變小，比表面積增大，增強(qiáng)了其磁學(xué)和電學(xué)性能。王家璽等[55]也用溶膠-凝膠法制備出了純的BiFeO3以及不同Y3+濃度摻雜的BiFeO3納米顆粒(Bi1-xYxFeO3)。研究發(fā)現(xiàn)相對純的BiFeO3，摻雜Y3+不會改變晶格結(jié)構(gòu)，但是減小了晶粒尺寸和禁帶寬度。引入Y3+可以有效提高氧空位的含量，而氧空位可以降低空穴-電子對的復(fù)合率，提高載流子利用率。李文進(jìn)等[56]利用低溫?zé)岱纸馇膀?qū)體，快速地制備出了摻雜Ho3+的鐵酸鉍納米顆粒，并以甲基橙為目標(biāo)污染物進(jìn)行光催化降解實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過分析，得出摻雜Ho3+的鐵酸鉍納米顆粒光催化性能提高了30%，其磁性也增加了4倍。

2.1.2 半導(dǎo)體復(fù)合

半導(dǎo)體復(fù)合也是提高BiFeO3光催化活性的一種最常用的改性方法。與不同能級的半導(dǎo)體材料復(fù)合會在其界面間產(chǎn)生異質(zhì)結(jié)，異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以加快光致載流子的轉(zhuǎn)移，提高電子空穴對的分離效率，也可擴(kuò)展可見光響應(yīng)區(qū)域，所以復(fù)合材料具有更高的光催化活性。與金屬離子摻雜相比，與半導(dǎo)體材料復(fù)合不會改變催化劑的晶體結(jié)構(gòu)。目前，較受歡迎的半導(dǎo)體改性材料有TiO2、g-C3N4、MOF、Ag3PO4、Fe2O3、GO、AuAg合金等[52]。Di等[57]通過沉淀法將Ag3PO4微粒子裝飾在BiFeO3微長方體表面，得到p-Ag3PO4/n-BiFeO3異質(zhì)結(jié)復(fù)合材料。(p表示復(fù)合材料中Ag3PO4為p型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，n表示復(fù)合材料中BiFeO3為n型半導(dǎo)體)用該復(fù)合材料在可見光照射下降解酸性橙7(AO7)。如圖3[57]所示，該復(fù)合材料的光催化效率遠(yuǎn)高于純BiFeO3。BiFeO3與Ag3PO4的結(jié)合抑制了光誘導(dǎo)電子和空穴的復(fù)合。復(fù)合材料的光催化活性明顯增強(qiáng)主要是由于Ag3PO4/BiFeO3p-n異質(zhì)結(jié)的形成導(dǎo)致了有效的光生電荷分離和界面電荷遷移。

圖3 BiFeO3和Ag3PO4/BiFeO3復(fù)合材料在可見光照射下對AO7降解的光催化活性，及空白和吸收實(shí)驗(yàn)結(jié)果[57]

Sun等[58]采用水熱法和光沉積的方法成功地制備了AuAg/BiFeO3復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，AuAg/BiFeO3復(fù)合材料能增強(qiáng)光生電子和空穴的分離和遷移，在可見光區(qū)比純BiFeO3表現(xiàn)出更強(qiáng)的光吸收。以酸性橙7(AO7)、苯酚和Cr(VI)為目標(biāo)污染物，結(jié)果表明，修飾了AuAg合金納米顆粒后，BiFeO3在分解有機(jī)物(AO7和苯酚)和還原Cr(VI)方面的光催化性能顯著提高。司云暉[59]通過水熱法制備出純相BiFeO3，然后在BiFeO3中引入金屬有機(jī)骨架(MOF)材料，成功制備了新型BiFeO3/MOF復(fù)合光催化劑。因?yàn)镸OF材料具有較大的比表面積，所以使得光催化材料對目標(biāo)反應(yīng)物的吸附性大大提高。光催化降解亞甲基藍(lán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，BiFeO3/MOF復(fù)合材料的降解效率相比于單獨(dú)的BiFeO3和MOF分別提升15%和43%，達(dá)到93%。邸麗景[60]制備出具有p-n型的Ag3PO4/BiFeO3復(fù)合物，并用于降解酸性橙7，對其光催化機(jī)理分析得出，產(chǎn)生的p-n型異質(zhì)結(jié)也可以增強(qiáng)電子空穴對的分離效率，加快光致載流子的轉(zhuǎn)移，使其光催化活性得以提升。劉立華等[61]也采用水熱法制備了氧化石墨烯負(fù)載球形花瓣狀的鐵酸鉍(BiFeO3@GO)，結(jié)果顯示，復(fù)合材料的光催化活性也得到了明顯提高。

2.1.3 貴金屬沉積

貴金屬沉積對光催化活性的影響是通過界面電荷的分布與轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)锽iFeO3與貴金屬之間有費(fèi)米能級差，通過可見光的照射，BiFeO3導(dǎo)帶上的電子遷移到貴金屬上，使費(fèi)米能級差縮小并趨于相同，貴金屬也能作為電子的捕獲勢阱，可以有效抑制光生載流子的復(fù)合，降低其帶隙，提高光催化活性。目前，Ag、Au、Pt、Pd等貴金屬都常用于BiFeO3貴金屬沉積改性。

Navjot等[62]采用水熱法制備了純納米BiFeO3顆粒，并用光沉積法在BiFeO3納米顆粒表面沉積銀納米球。研究發(fā)現(xiàn)，銀納米球在BiFeO3表面的修飾使得BiFeO3納米粒子的帶隙變寬，即出現(xiàn)藍(lán)移。觀察到的藍(lán)移確實(shí)是由于BiFeO3納米顆粒與金屬(銀納米球)的密切接觸，銀納米球相對于BiFeO3納米粒子費(fèi)米水平較低，使光生電子從BiFeO3轉(zhuǎn)移到Ag，從而減少電荷復(fù)合，使Ag修飾的BiFeO3納米粒子在可見光下分解亞甲基藍(lán)的光催化性能遠(yuǎn)優(yōu)于純BiFeO3納米粒子，其費(fèi)米能級電子躍遷原理如圖4[62]所示。Zeeshan等[63]采用水熱法合成了不同載銀量的可見光光激活銀摻雜紡錘形BiFeO3(Ag-BFO)磁性納米復(fù)合材料。研究表明，Ag-BFO納米復(fù)合材料具有較高的電子-空穴對分離效率和生成羥基(·OH)自由基的能力，對孔雀石綠染料、亞甲基藍(lán)、日落黃、苯酚和2,4-二氯苯氧乙酸的降解表現(xiàn)出顯著的光催化活性。Ag-BFO納米復(fù)合材料可見光降解機(jī)理示意圖如圖5[63]所示。此外，Ag-BFO納米復(fù)合材料在5次循環(huán)使用后仍保持其光活性和形貌穩(wěn)定性，純BFO和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%Ag-BFO納米復(fù)合材料在瓊脂平板上對大腸桿菌和黃體桿菌的抑制帶如圖6[63]所示，表明Ag-BFO納米復(fù)合材料比純相BFO具有更高的抗菌活性。

為光激發(fā)后的費(fèi)米能級；EF為光激發(fā)前的費(fèi)米能級；h為空穴；e為電子；hv為光照能量

圖5 Ag-BFO納米復(fù)合材料可見光降解機(jī)理示意圖[63]

圖6 納米復(fù)合材料在瓊脂平板上對大腸桿菌和黃體桿菌的抑制帶[63]

Zeeshan等[64-65]采用兩步水熱法成功合成了磁性可回收的Pd和Pt負(fù)載BiFeO3復(fù)合材料。證明適當(dāng)?shù)腜d和Pt含量可以提高可見光區(qū)的吸光度，有效地提高光生載流子的遷移能力。羥基自由基、空穴和過氧化氫是光降解的主要反應(yīng)物。此外，通過研究Pd-BFO和Pt-BFO對不同菌類的抗菌活性，發(fā)現(xiàn)Pd-BFO和Pt-BFO也都具有優(yōu)異的抗菌性能。Niu等[66]也通過水熱合成、浸漬和熱還原成功制備了Pt共催化劑修飾的BiFeO3(BFO)粒子。結(jié)果表明，平均粒徑約為10 nm的Pt納米粒子以金屬狀態(tài)良好地分散在BFO顆粒表面，Pt與BFO之間形成了親密的異質(zhì)結(jié)界面，增強(qiáng)了電子空穴對的分離效率。通過可見光照射下對甲基橙(MO)的光催化降解，與純BFO相比，Pt/BFO光催化劑的光催化活性顯著提高，是純BFO光催化劑的5倍。此外，所制備的Pt/BFO異質(zhì)結(jié)構(gòu)光催化劑在5個連續(xù)循環(huán)中具有較高的穩(wěn)定性和耐久性，有利于長期用于光催化降解有機(jī)污染物。

2.2 反應(yīng)條件的優(yōu)化

在光催化過程中，除了催化劑自身的性質(zhì)外，反應(yīng)的條件也會對反應(yīng)產(chǎn)生巨大的影響。

2.2.1 光源

光源的種類對BiFeO3的催化活性有較明顯的影響?？h濤等[67]采用改進(jìn)的聚丙烯酰胺凝膠法制備了BiFeO3納米材料，對比了BiFeO3納米顆粒在紫外光和可見光下對甲基橙(MO)降解效果。結(jié)果表明在紫外光下照射6 h，可見光下照射時間為14 h的降解效率分別約為71%和39%，可以看出，催化劑在降解甲基橙時，紫外光的照射催化效果更好。Zahra等[68]也對比了在紫外和可見光的照射下，BiFeO3粉體降解四環(huán)素(TC)的效果，光催化實(shí)驗(yàn)表明，紫外光照射下BiFeO3對四環(huán)素(TC)的降解效率比可見光照射下高出7.2%。

2.2.2 pH

pH對半導(dǎo)體光催化劑的影響也很顯著。但對于不同的目標(biāo)污染物，pH對光催化效果的影響不一。王力等[69]采用溶膠-凝膠法制備了BiFeO3納米顆粒，在不同pH(2.5～6.5)的條件下，研究了BiFeO3對羅丹明B的光催化降解實(shí)驗(yàn)，如圖7[69]所示，隨著溶液pH降低，BiFeO3光催化效率明顯提高。這可能是由于光催化反應(yīng)主要發(fā)生在催化劑表面，因此較低的pH有助于羅丹明B吸附在BiFeO3納米顆粒表面，從而提高BiFeO3顆粒光催化活性。郭效軍等[70]也在不同pH(2～11)的條件下，用BiFeO3納米顆粒光催化降解結(jié)晶紫染料廢水，并探究了不同pH對結(jié)晶紫褪色率的影響。得出隨著pH增加結(jié)晶紫染料廢水的褪色率先增加后降低。在pH為8.0時染料褪色率達(dá)到了99%以上，效率最高。Han等[71]采用微波輔助水熱法制備了鈣鈦礦BiFeO3微球，并將其用于水溶液中雙氯芬酸(DCF)的分解，研究了不同pH(3～9)對降解效果的影響，結(jié)果表明pH為4.0～7.0時對雙氯芬酸降解的影響不顯著，pH為9.0時，DCF降解受到顯著抑制。

C0為羅丹明B初始濃度;C為降解后溶液中羅丹明B濃度

2.2.3 催化劑的濃度

催化劑的濃度也是影響催化反應(yīng)效率的因素之一。巴圖圖拉格等[72]研究了不同濃度的催化劑對降解甲基橙的催化反應(yīng)效率的影響，如圖8[72]所示，在光照6 h后，濃度為0.53 g/L的催化劑對甲基橙的降解率為36%。這是因?yàn)榇呋瘎舛鹊?，對可見光的利用率也低，隨著其濃度增加，甲基橙的降解率亦快速提高，當(dāng)增加到3.18 g/L時，光照6 h甲基橙的降解效率達(dá)到了88%，極大地提高了光的利用率。繼續(xù)增加其光催化劑的濃度，甲基橙的效率沒有明顯的提高，作者認(rèn)為這可能是由于催化劑顆粒間的相互阻擋，使可見光利用率未有明顯增加。

圖8 催化劑濃度對光催化性能的影響[72]

3 結(jié)論與展望

BiFeO3作為一種新型的光催化劑，相對于傳統(tǒng)的催化劑來說，具有更窄的帶隙，可以在可見光下反應(yīng)，更優(yōu)良的鐵磁性，使之可以回收利用，無毒、便宜，可高效降解有機(jī)污染物，在實(shí)際生產(chǎn)中，能有大規(guī)模生產(chǎn)的可能，但還需要進(jìn)一步研究完善。得出如下結(jié)論。

(1)運(yùn)用現(xiàn)在的制備方法，大多都會出現(xiàn)雜相，影響鐵酸鉍的性能，所以探究新的制備方法，或者在原有的方法上進(jìn)行改進(jìn)是未來研究者們可以關(guān)注的一個方向，如加以微波或化學(xué)試劑輔助合成、改變反應(yīng)溫度或pH等。

(2)尋找合適的改性手段，以提高光催化效果。如改變禁帶寬度、提高價帶位置以增強(qiáng)光生電子的氧化能力、降低導(dǎo)帶位置以增強(qiáng)光生空穴的還原能力、抑制電子-空穴對復(fù)合的概率、改變催化劑的粒徑和比表面積等。

(3)對于污染物的降解不應(yīng)僅局限于實(shí)驗(yàn)室配置的污染物，應(yīng)結(jié)合環(huán)境科學(xué)中實(shí)際產(chǎn)生的污染物進(jìn)行降解，如對廢水中的化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand，COD)、含氮、磷的富營養(yǎng)物質(zhì)、難降解有機(jī)物等進(jìn)行降解實(shí)驗(yàn)；對于鐵酸鉍及其改性物質(zhì)的抗菌性研究也有待加強(qiáng)，抑制廢水中的細(xì)菌、真菌等微生物污染更切合實(shí)際應(yīng)用。

(4)對鐵酸鉍的光催化機(jī)理探究，具體光催化反應(yīng)中起作用的活性物種有哪些；產(chǎn)生的活性物種以怎樣的形式存在，是吸附于顆粒表面還是游離于溶液中，這些研究都有助于加深對光催化機(jī)理的認(rèn)識，進(jìn)而有效地提高其光催化效果。

(5)現(xiàn)階段制備的鐵酸鉍材料多為粉末和薄膜，材料回收率得不到保證，除了增強(qiáng)材料的磁性外，也可改變材料的形態(tài)做成納米棒、納米纖維等更加規(guī)則的納米材料以提高其降解效率和回收率。