多孔钒酸铋的制备及其光催化性能

于丰锴

(青岛大学 化学化工学院，山东 青岛 266071)

钒酸铋(BiVO4)是一种重要的光催化剂，它可以应用于许多领域，如水分解[1]，CO2还原[2]，降解污染物。自1972[3]年报道光电化学水分解以来，许多研究者都将目光转移到光电化学半导体的开发和利用上，BiVO4就是其中之一。BiVO4是一种众所周知的n型半导体光催化材料，带隙接近2.4 eV，具有合适的价带位置，优异的可见光吸收性能，合成成本低。它的价带位于大约 2.4 V vs.RHE(可逆氢电极)。但是钒酸铋晶体尺寸过大，导致反应的活性表面过小，并且体相和表面的电子空穴对易于复合，限制了其性能。

本文采用白炭黑作为模板剂，利用水热反应，制备出了多孔的钒酸铋颗粒，从而大幅增大了反应活性表面，同时减小了电子和空穴对的复合。在一定比例的情况下，制备出的材料表现出了极其优异的性能。

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

所有试剂均为分析纯，硝酸铋、偏钒酸铵、氨水、硝酸，白炭黑直接购买使用。试剂的规格及生产厂家见表1。

表1 试剂的规格及生产厂家

XRD图谱由DX-2700 X光衍射仪测得。SEM形貌表征由JSM-6390F(JEOL，日本)扫描电子显微镜测得。电化学数据由电化学工作站(CompactStat.h10800)测定。降解实验通过降解5mg/L的罗丹明B获得。

1.2 样品制备

称取1mmol 硝酸铋和1mmol偏钒酸铵溶于50mL 2mol/L 稀硝酸溶液中，分别加入0，0.5，1，1.5，2mmol白炭黑，得到5种溶液。用氨水分别调节pH值为1，搅拌30min，水热24h，离心洗涤干燥。

干燥后的样品放入1mol/L的NaOH溶液50 ℃洗涤2h，离心洗涤干燥。

1.3 光催化活性实验

为了测试所制备得的样品的光催化活性，本实验取用了10mg/L的罗丹明B水溶液作为目标降解污染源，实验中的所有光催化反应都在室温下进行。具体做法：用电子天平准确称量50mg样品，放入50mL罗丹明B水溶液中，暗态吸附1h，然后光照3h，期间每隔60min取一次样，测得紫外-可见吸光光度值。

2 结果与讨论

2.1 XRD表征

XRD测试采用Cu靶，电压40kV，电流40mA，扫描范围10 ～ 60°。图1为所得样品的XRD图，从图上可以看出所得样品均为单斜相钒酸铋[4]，对比标准卡片PDF#75-1866，2 θ为31°对应(004)晶面，可以看出晶面(004)对应峰的强度随着白炭黑的增多而增强，表明该晶面暴露的比例增多。同时其他峰的强度并没有明显变化，表明白炭黑并没有影响钒酸铋的结晶度，且各样品的结晶度良好。

图1 加入不同比例白炭黑制备样品的XRD

2.2 扫描电镜分析

图2是加入不同比例白炭黑制备样品的SEM图，从SEM图中可以看出加入少量白炭黑的样品形貌为削角八面体，侧棱长度为5微米，孔径主要分布于侧面上，根据XRD数据，随着孔径数的增多，样品的(004)晶面暴露比增加，可以得出侧面为{004}晶面族。当白炭黑数量增加时，样品形貌发生改变，晶体呈现不规则形状，伴随着小颗粒产生，晶体产生坍塌。

2.3 电化学性能分析

图3是加入不同比例白炭黑制备样品的I-T曲线，通过不断的开光和闭光获得光响应曲线，从图中可以看出加入1mmol白炭黑模板剂的样品性能高于不加白炭黑的样品，同时远高于加入2mmol白炭黑的样品。表明多孔削角八面体钒酸铋电子空穴分离度最高。光照下能产生更高的光电流。

图3 加入不同比例白炭黑制备样品的I-T曲线

2.4 光催化降解性能

图4 加入不同比例白炭黑制备样品的降解曲线

图4是加入不同比例白炭黑制备样品的光降解曲线，从图中可以看出加入了1mmol白炭黑样品的光催化氧化能力远远强于其余样品。这主要是由于孔径分布于侧面，由于侧面是富空穴面[5]，增大的比表面积使得样品产生的空穴能够与反应物充分接触，增强了传质，从而提高了反应速率，氧化性能得到了提高。

3 结论

本文通过简单的水热合成法，利用白炭黑作为模板剂，合成了侧面富孔的钒酸铋，使得催化剂够与反应物充分接触，从而加快反应，另一方面，富孔面是催化剂产生空穴最多的一面，增大的表面使得样品空穴传输速率提高，从而增强了氧化性能。当白炭黑的量为1mmol时，孔最多，并且晶体结构不发生破坏，氧化性能最强。