Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6复合光催化剂的制备及其光催化活性的研究

赵丽敏，王 杰，张 新，贾春燕，王泽华，叶中天

（赤峰学院，内蒙古 赤峰 024000）

1 前言

随着社会的飞速发展，各种废水也对环境有所污染，而废水中的污染物具有一定的稳定性，很难被降解，但是光催化剂对其具有一定的降解作用[1].另外，可见光是一种环保、无污染的能源[2]，为了更加充分合理地应用太阳能，寻找良好的可见光催化剂已经是一项重要而艰巨的任务[3].目前钨酸盐类材料在光导纤维、光致发光物质、催化剂等方面具有很好的研究前景，已然成为最近几年人们所研究的热点课题[4].

经研究发现Bi2WO6在大于450nm的波长下，在可见光的照射下具有一定的光催化活性，但是仅凭一种单一的Bi2WO6对于太阳能的利用效率并不高，为使Bi2WO6的光催化性能有所改善，常用掺杂稀土金属离子这种办法来增强其光催化活性[5].

本文通过使钨酸铋与上转光剂进行复合，从而来实现对钨酸铋光催化活性的增强，并且运用XRD和SEM对其进行了表征[6]，此外通过测定偶氮品红溶液的UV来探究其光催化活性.

2 实验药品与仪器

2.1 实验药品

见表1.

表1 主要试剂及规格

2.2 实验仪器

见表2.

表2 主要设备及厂家

3 实验方法

3.1 制备

3.1.1 上转光剂Er3+:Y3Al5O12的制备

取0.7608g Er2O3，1.3661g Y2O3分别溶于8mL浓硝酸溶液中，用磁力搅拌器进行搅拌并加热（50-60℃）至溶解.待Er2O3溶液变粉色透明、Y2O3溶液变无色透明，将三种溶液混合在一起即为稀土离子溶液.将7.5026g的Al(NO3)3·9H2O溶于少量蒸馏水后，用玻璃棒进行搅拌并缓慢加入稀土离子溶液中，称取25.5959g柠檬酸并溶于少量蒸馏水中，缓慢加入稀土离子溶液中，反应剧烈有大量气泡生成，溶液为棕黄色，滴加HF溶液0.6mL，称取尿素0.7021g溶解于少量蒸馏水中，缓慢加入稀土离子溶液中，用磁力搅拌器进行搅拌并且加热（温度为50℃）至溶液变为溶胶状物质后停止加热搅拌.待冷却至室温后放在烘箱中在120℃条件下进行干燥36h.将得到的固体泡沫凝胶进行研磨，将研磨后的固体粉末状的药品放在马弗炉中，在500℃条件下先煅烧60min，再在1087℃条件下煅烧175min.最后将固体药品取出后冷却至室温，得到粉色粉末状固体[7]即为上转光剂Er3+:Y3Al5O12.

3.1.2 上转光剂Er3+:Y3Al5O12与Bi2WO6复合的最佳摩尔比的探讨

按照 0:100、1:100、3:100、6:100、12:100 的质量比称取Er3+:Y3Al5O12与Bi2WO6，分别将药品进行充分研磨后，分别加入5个小烧杯中，依次加入50mL蒸馏水，室温下超声分散30min，紧接着再加热煮沸30min.待溶液冷却至室温后，放在烘箱中在120℃干燥4h.溶剂蒸干后再充分研磨，然后放在马弗炉中在300℃的条件下进行煅烧2h.得到的白色粉末即为不同质量比的Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6.

将上述五种不同比例的复合光催化剂各称取50mg分别加入已经配好的偶氮品红溶液40mL，用磁力搅拌器进行搅拌30min，再用离心机在3000r/min的条件下进行离心15min，静止沉淀后，取上清液在3000r/min下离心三次，测UV[8]，如图1所示.

图1 在偶氮品红溶液中分别加入不同比例的Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6复合光催化剂的UV图

由图1可知，偶氮品红溶液在291nm和614nm处有吸收峰，最大吸收波长为535nm.当加入不同物质的量比的Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6复合光催化剂时，通过测定偶氮品红溶液的紫外吸收光谱，可以看出Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6质量比为1:100时，该复合光催化剂对偶氮品红溶液的降解效果最好.

3.1.3 上转光剂Er3+:Y3Al5O12与Bi2WO6复合最佳温度的探讨

按照质量比为1:100的量，称取三份Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6复合光催化剂，分别进行充分研磨，再加入50ml蒸馏水，先超声分散30min，然后进行加热煮沸30min，待冷却至室温后放入烘箱在120℃条件下进行干燥4h，蒸干溶剂，再进行充分研磨后放入马弗炉中在温度分别为100℃、150℃、300℃、600℃下进行煅烧，煅烧时间为2h.取出药品，充分研磨.

将得到的四种粉末分别称取50mg，加入40mL偶氮品红溶液中，用磁力搅拌器进行搅拌30min，静止沉淀后，再用离心机在3000r/min的条件下进行离心15min，取上清液在3000r/min下离心三次测UV.如图2所示：

图2 在偶氮品红溶液中分别加入不同煅烧温度Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6（1:100）的三份复合光催化剂的UV图

由图2可知，在波长535nm处，当加入不同煅烧温度Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6（1:100）复合光催化剂时，通过测定偶氮品红溶液的紫外吸收光谱，可以看出，Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6煅烧温度为150℃时，该复合光催化剂的光催化活性明显增强.

3.1.4 上转光剂Er3+:Y3Al5O12与Bi2WO6复合的最佳热处理时间的探究

按质量比1:100称取三份200mg Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6，分别进行充分研磨后加入50mL蒸馏水中在室温下进行超声分散30min，然后加热煮沸30min，待冷却至室温后放入烘箱中，在温度为120℃条件下进行干燥4h，蒸干溶剂，取出药品冷却至室温后进行充分研磨，再将药品放入马弗炉中在温度为150℃条件下进行煅烧（煅烧时间分别为 1h、2h、4h），将得到的三种粉末分别称取 40mg，分别加入40mL偶氮品红溶液中，用磁力搅拌器进行搅拌30min.静止沉淀后，再用离心机在3000r/min的条件下进行离心15min，取上清液3000r/min离心三次，测UV.如图3所示：

图3 偶氮品红溶液中分别加入不同煅烧时间的Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6（1:100）三份复合光催化剂的UV图

图3 表明，在偶氮品红溶液中，当加入不同煅烧时间的Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6（1:100）复合光催化剂时，通过比较535nm处最大吸收波长的变化，可以得出煅烧时间为2h时，复合光催化剂的光催化活性明显增强.

4 结果及讨论

XRD与SEM

图4 样品Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6的XRD图谱

图4 是制备四种样品的XRD图谱，很明显在2θ=32.0°处有特征峰，证明样品为Bi2WO6.根据标准谱图衍射峰可以确定所做的样品为Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6.

图5是Er3+:Y3Al5O12和Bi2WO6的扫描电镜照片；图6是Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6的扫描电镜照片.从图 5（a）（b）（c）可以看出上转光剂 Er3+:Y3Al5O12的颗粒状结构，从图5（d）可以看出Bi2WO6是棒状结构.从图6可以看到Bi2WO6表面分布着细小的颗粒状微粒，说明上转光剂与Bi2WO6之间复合成功.

图5 Er3+:Y3Al5O12和Bi2WO6的扫描电镜图片

图6 Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6的扫描电镜照片

5 结论

首先是运用溶胶-凝胶的方法分别合成了上转光剂Er3+:Y3Al5O12，然后利用水热合成法合成了Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6，我们用偶氮品红溶液模拟实际污染物，通过测定其紫外吸收光谱，可以得出上转光剂Er3+:Y3Al5O12与钨酸铋的最佳质量比为1:100，最佳的热处理温度为150℃，最佳的热处理时间为2h.最后我们通过电子扫描电镜（SEM）和X-射线粉末衍射仪（XRD）分别对其进行表征.