Bi2WO6光催化剂的研究进展①

□□ 候婉君，肖姗姗，陈 悦，周香港，王立艳，盖广清

(吉林建筑大学 材料科学与工程学院，吉林 长春 130118)

引言

环境污染问题日益严峻，已成为威胁人类社会生存的关键问题之一。将太阳能转化为化学能的绿色光催化法被认为是解决该问题最有前景的技术之一[1]。而基于半导体材料的光催化降解技术作为一种极具发展前景的环境修复技术，一直受到人们的广泛关注[2]。半导体光催化技术(PC)作为一种以可再生能源为驱动的技术，在污染物降解方面起到了很大的作用[3-7]。近年来，光催化材料在建筑环境领域的应用研究热度居高不下，主要是利用光催化剂杀菌除污染物的功能，其核心技术仍是光催化剂性能改善手段的研究。

新型半导体材料钨酸铋(Bi2WO6)，其可见光利用能力突出，晶体结构稳定，光量子和电子传输效率高，但存在光生电子空穴对分离效率低、比表面积小、量子利用率低等问题，制约了其光催化性能的提高[8]。如何有效克服对Bi2WO6光催化性能的影响成为了目前研究的重点[9-13]。人们采用各种改性手段来提高Bi2WO6的光催化活性。

1 形貌调控

形貌调控包括材料纳米化、晶型、晶面调控和制备同质分级结构等，是提高半导体材料光催化性能的有效途径。纳米化可以有效增大材料的比表面积，能够吸附更多的污染物以及提供更多的催化反应活性位点；晶型、晶面调控可以提高具有高效催化反应活性的晶型或晶面的占比；通过分级结构来增加光的折射面从而提高光的吸收利用率。

1.1 低维材料

王蕊等[14]采用水热法制备了Bi2WO6催化剂，在水热反应温度为120 ℃、反应时间为12 h、前驱体液pH为0.5的条件下，形成了由二维纳米薄片组装的多孔微球结构，可以有效增加与降解物乙烯气体的接触面积，同时降低禁带宽度，拓宽可见光响应范围，从而表现出优异的光催化活性，240 min对乙烯的降解率达13.69%。

1.2 三维纳米结构材料

JIANG Z Y等[15]利用一步溶剂热法制备由Bi2WO6量子点组装三维中空结构，量子效率导致Bi2WO6的禁带宽度增大，中空结构提供了较大的比表面积，使催化剂可以吸附更多的CO2，从而具有更高的光催化CO2还原甲醇的能力。

2 离子掺杂

离子掺杂是在材料的晶体点阵中引入杂质原子，可分为非金属和金属离子掺杂。非金属离子掺杂可以改变材料能带宽度进而改变吸收可见光波长的范围，而金属离子掺杂主要是引入新的杂质能级，作为光生电子和空穴捕获点来捕捉光生电子或空穴，从而促进光生电荷的分离，进一步提高光催化活性。

2.1 金属离子掺杂。

ZHU F Y等[16]分别用四种金属离子(Mg、Fe、Cu、Zn)对Bi2WO6进行掺杂改性。研究表明，金属掺杂后催化剂的带隙能下降，是由于掺杂在Bi2WO6的导带和价带之间引入了新的杂质能级，从而显著增强了对NOR和CIP的降解。此外，光催化剂具有大的比表面积和松散的结构也有利于催化性能的改善。

2.2 非金属离子掺杂

SHANG M等[17]制备了N掺杂的Bi2WO6(N-Bi2WO6)，N掺杂提高了光催化剂的可见光吸收率，促进了光生电子向催化剂表面的快速转移，同时降低了光生电子和空穴对的复合损失，从而使材料的光催化活性得到提高。掺杂后Bi2WO6在光照60 min后，对RhB的降解率接近于100%，光催化活性是未掺杂的样品的2～3倍。

3 复合结构的构建

半导体复合结构的构建是在两种或者多种不同的材料界面上组成异质结，材料间的能量通过费米能级的统一趋于平衡，复合结构可以加快界面电荷的输运，促进光生载流子的迁移和分离效率，从而增强材料的光催化活性。

3.1Bi2WO6-碳材料复合结构

HUO X Q等[18]通过水热法研制了由空氧Bi2WO6纳米片(BWO-OV)和富氧氮化石墨碳(OCN)组成的三维Z-Scheme异质结构BWO-OV/OCN。该异质结由于形成内建电场，从而加速界面电荷的转移，BWO中诱导的氧空位也有利于反应位点的暴露。另外，具有黑体性质和富氧结构的OCN会提高光吸收率。该复合材料在60 min内TC去除率可达96.16%，是原始OCN的2倍以上。

TANG X等[19]采用透析辅助水热法制备了一种分散均匀的生物质碳量子点dots@Bi2WO6(BC-QDS@Bi2WO6)。碳材料对Bi2WO6进行改性，具有量子效应的BC-QDS可以作为光捕获中心、电子储存中心和降解污染物的反应中心，不仅可以提高电子转移率，还可以有效防止电子-空穴对的复合。BC-QDs@Bi2WO6对TC、CIP和GFL的降解均具有更高的光催化活性。

3.2Bi2WO6-半导体复合结构

李小燕等[20]采用水热法结合煅烧法制备了Bi2O3-Bi2WO6复合结构。在Bi2O3和Bi2WO6界面形成的直接Z-Scheme异质结，复合后光生电子-空穴的传输速率和分离效率都得到提高，同时禁带宽度变小，可见光吸收率增加。在进行光照60 min后，对U(VI)的去除率达到了95%。

Salari H等[21]通过无模板法合成了三维花状Bi2WO6/MnO2纳米复合材料。三维Bi2WO6/MnO2纳米复合材料所产生的协同效应大大改善了载流子的产生、转移和分离状况。此外，三维层次结构提供了较高的比表面积。因此，复合材料展现出很高的光催化活性，当Bi2WO6/MnO2为(1∶10)时，在70 min内，对MB的降解率可达100%。

3.3Bi2WO6-金属复合结构

ZHANG S S等[22]采用简单的NaBH4原位还原法成功制备了Pt辅助修饰的高空穴浓度的Bi2WO6复合材料。Pt的加入可以作为电子陷阱抑制电子-空穴的复合，而且沉积Pt增加了氧空位的浓度，产生的氧空位在Bi2WO6的导带下，可以减小带隙宽度，而氧空位又可以激活O2，促进更多活性氧的生成。0.15%Pt/Bi-BWO的光催化反应速率是Bi2WO6的2.88倍，在1 h内能脱除90%以上的气相甲苯，其中80%以上的甲苯被分解为CO2和H2O。

REN J等[23]在乙烯体系中采用醇热法制备了载Ag的Bi2WO6纳米粒子，由于贵金属和半导体组分之间的协同作用，Ag纳米粒子的负载促进光生电子-空穴对的分离，且光照下Ag的表面等离子共振效应提高了可见光的利用率，从而增强了Ag/Bi2WO6的光催化活性，可见光作用下能有效灭活革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌。

3.4 三元复合结构

BAI Y C等[24]利用分步法得到三元Bi2WO6/CeO2/g-C3N4复合物，用于氧化降解水中有机污染物和还原重金属离子。光催化活性的提高是由于三元异质结构减小了带隙能，提高了载流子的分离率和迁移率，增加了活性自由基的数量。

4 多种改性手段结合的复合结构

将掺杂、复合、形貌调控等多种改性手段综合使用，调控各种改性手段的配比与结构，使之产生协同效应，能够进一步提高材料的光催化性能。

QIANG Z M等[25]利用离子液体辅助溶剂热法制备了I掺杂的Bi2O2CO3/Bi2WO6(I-BCW)异质结。在体系中引入I可以降低导带位置，同时在价带中产生杂质能级，进一步缩小异质结的带隙，Z-scheme异质结的形成促进了可见光的吸收和光生电子-空穴的分离。结果表明，(0.3∶1)I-BCW异质结材料其可见光催化产H2的效率最佳。

CUI C等[26]研究了2D/2D结构的超薄Bi2WO6/Nb2CTXMXene杂化纳米片光催化剂。2D Nb2CTXMXene可以发挥电子阱的作用，捕捉光生电子，异质界面形成的肖特基异质结可以抑制载流子的复合。复合物具有更大的比表面积，对RhB、MB和TC-HCl表现出更好的催化活性。2%(wt)Bi2WO6/Nb2CTX光降解RhB和MB的速率常数分别是原始Bi2WO6的2.8倍和2倍。

5 结语

本文主要综述了Bi2WO6光催化剂性能调制及其主要改性手段的研究进展。通过Bi2WO6光催化半导体的研究结果表明，使用形貌调控、离子掺杂和复合结构的构建等改性手段能有效拓展光响应范围，缩小禁带宽度，促进光生电子-空穴对的分离与迁移，从而提高材料的光催化效率。而复合结构的设计与合成一直是一个重要的研究课题。在如何制备出成本较低，制备工艺简单，回收效果好、高稳定性和降解率高的复合光催化剂上，仍然面临很多的机遇和挑战，需要不断进行研究与探索。