钒酸铋系光催化剂研究进展

关庆丰，赵世铎，高 新，刘怡丽，史久静，林 雪

(1．江苏大学 材料科学与工程学院,江苏 镇江 212013；2.吉林师范大学 化学学院,吉林 四平 136000)

钒酸铋系光催化剂研究进展

关庆丰1，赵世铎2，高 新2，刘怡丽2，史久静2，林 雪2

(1．江苏大学 材料科学与工程学院,江苏 镇江 212013；2.吉林师范大学 化学学院,吉林 四平 136000)

钒酸铋系光催化剂在降解水环境中有机污染物方面具有良好的可见光催化活性，本文介绍了钒酸铋光催化剂的研究动态和主要成果，并对钒酸铋系光催化剂的发展趋势进行了展望.

钒酸铋；光催化剂； 光催化氧化

0 引言

染料废水是主要的有害工业废水之一，具有成分复杂、污染范围广、危害大等特点，主要来源于染料及染料中间体生产行业，由各种产品和中间体结晶的母液、生产过程中流失的物料等组成．将染料排放至水体环境中会引起严重的环境污染和健康问题[1-2].我国是染料生产大国，纺织染料工业近年来发展迅速，目前我国各种染料产量已达90万吨以上，染料产量占世界的60%左右，因此我国染料污染问题十分严重，可以说对这一问题的解决已到了刻不容缓的地步.许多研究报告表明有毒有害染料已广泛存在于土壤、地表水、地下水、沉积物和城市污水中[3].因此，消除环境中染料废水带来的环境污染问题已成为科研工作者迫切需要解决的重大问题.

处理这类污染物的传统方法主要依靠吸附法、过滤法、物理吸附絮凝、微生物降解、电解处理法、化学氧化法等方法，这些方法存在处理速度慢、净化不彻底及不可避免地会造成二次污染等问题[4-5].近年来，应用新型半导体材料光催化降解有机污染物废水因其具有降解完全、速度快、廉价、无毒等优点，同时可有效利用太阳光作为光源以缓解能源危机而引起了研究者的广泛关注[6-7].

光催化技术(Photocatalytic Technique)清洁、环保、友好，可有效去除环境中的有机污染物.研究者多以微/纳米半导体氧化物(如TiO2)作为光催化材料，对环境中含有机污染物废水进行光催化处理，取得了可行性的研究结果[8-9].但是，由于常用的普通微/纳米半导体氧化物光催化剂颗粒(如TiO2等)自身的局限性(带隙较宽，约为3.2 eV)导致其不能有效的利用太阳光能源.达到地球表面的太阳光中能激发TiO2的紫外线(≤387 nm)只有5%，而人工UV光源相对比较昂贵需要消耗大量的电力，因而在很大程度上限制了该方法的应用.可见光约占太阳光总能量50%，到达地球表面的能量可高达1.5×1024J/a，是人类每年消耗总能量的一万倍，因此利用太阳光中可见光意义重大.人们一直致力于研究新的催化剂和新的光催化方法，以充分利用可见光和提高光催化效率来治理环境污染物.因此，制备稳定、可控、高效光催化剂的方法及半导体材料，研究与之相关的光催化降解因素及机理过程(平衡、动力学、热力学及界面化学现象)成为目前研究的活跃领域.

近年来，钒酸铋系半导体材料因其在可见光辐照下对难降解有机物具有良好的催化作用而成为新型光催化材料的研究热点之一[10].然而，传统的固相法制备的钒酸铋材料除了具有相对较低的量子效率外，还因对可见光利用率不高，限制了它在光催化方面的应用.为了提高其光催化活性，科学工作者们在不断探寻各种新型高效、稳定的光催化材料的同时，也在致力于探究光催化的基本原理，力图提高其光催化效率，并且在工业化应用等方面进行了广泛的尝试和深入的研究.

1 钒酸铋系光催化剂研究

近年来，我们课题组采用水热法制备了系列钒酸铋(BiVO4)光催化材料，研究了不同条件下制备的钒酸铋材料的光催化性能，并讨论了其形貌及结构对其性能的影响规律.

2013年，我们课题组采用水热法制备了鱼骨状BiVO4(如图1)[11]， 所制备的BiVO4具有较好的可见光催化活性，其经可见光照射180 min对罗丹明B降解率可达100%.

图1 水热法制备的鱼骨状BiVO4 的TEM照片

同年，我们制备了球形、花形和线状BiVO4光催化剂 (如图2)，并讨论了形貌对其性能的影响[12].

图2 水热法制备的球形、花型和线状BiVO4 的TEM照片

近期，我们报道了球形、哑铃状、纺锤状及稻穗状BiVO4材料的水热制备(如图3)[13]．其中，稻穗状BiVO4纳米结构光催化剂经可见光照射180 min对罗丹明B降解率可达100% (如图4).

图3 水热法制备的球形、哑铃状、纺锤状和稻穗状BiVO4 的SEM照片

图4 稻穗状BiVO4 降解罗丹明B图

2 钒酸铋系光催化剂研究展望

钒酸铋基光催化材料在可见光下的光催化活性虽然较传统催化剂TiO2已有显著提升，但是由于其量子效率较低，因此离工业化应用仍有较远的距离.提高钒酸盐光催化效率的途径主要有提高其可见光吸收效率，降低光生电子和空穴的复合几率等.目前，大多数研究主要通过改变化学合成工艺参数、金属及非金属离子掺杂和无机化合物复合等手段来提高钒酸铋材料光催化剂的光催化效率，已取得了一些有意义的研究成果，但对其光学性能、能带结构以及降解机理仍需要进一步讨论.关于钒酸铋系光催化剂合成方法的探索已经逐渐完善，如通过改变化学合成工艺参数控制产物的晶体结构和形貌以调控其性能.同时，光催化剂的固定和再生是光催化技术的关键问题.因此，我们课题组未来的工作将围绕寻找合适的载体和固定化方法，通过引入具有吸附功能的载体，制备负载型光催化剂，将吸附、降解、分离有机地结合起来，以提高光催化剂的光催化效率；并对钒酸铋系材料的构效关系进行探讨，同时对钒酸铋系材料能带结构及降解机理进行深入的学习.

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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

郎集会)

2014-05-29

国家自然科学基金项目(50671042,U12331111);江苏大学高级人才基金(07JDG032)

关庆丰(1963-),男,吉林省长春市人,现为江苏大学材料科学与工程学院教授,博士，博士生导师.研究方向:微结构、表面改性及功能材料.

X131.2

A

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