Bi1-xYxFeO3光催化剂的表征及光催化分析研究

房 睿

(新疆维吾尔自治区水文局，乌鲁木齐 830000)

0 引 言

随着经济的快速发展，人类活动对自身的生存环境造成不同程度的破坏，直接或间接影响人类健康以及社会经济的可持续健康发展[1]。难降解有机污染物在水体中广泛且持久存在。中国在全球范围内属于湖泊密度较大的国家之一，湖泊在供给淡水、渔业、维护生态环境等多个方面占有重大比重。水体中常见的有机污染物有以下几种：酚类化合物、苯胂酸类化合物、石油类、苯系物、有机氯农药、有机磷农药、多环芳烃、多氯联苯等。其中，染料废水是常见的有机工业废水，在实际工程中常常伴有染料废水的处理，常见的试验目标染料污染物有刚果红、罗丹明B、甲基橙、孔雀石绿等。铁酸铋(BiFeO3，简写BFO)是一种常见的新型的多铁性光催化材料，具有铁电性和反铁磁性以及较窄的禁带能隙，是当前多铁材料研究热点之一。BFO不仅在自旋电子器件和铁电储存方面有较大的应用潜力，而且在光催化降解方向也有着非常大的前景。BFO作为一种典型的钙钛矿材料，其本身的禁带能隙为2.2～2.8 eV，对紫外光和可见光都能产生响应，表现出较好的光催化活性，在光催化降解污染物、环境净化及光解水制氢等方面有着诱人的前景[2]。但是在光催化实验中，此材料有光生空穴与电子对分离困难、材料表面吸附性能相对较差，导致可见光光电子产率低以及光生电子和空穴易于复合等缺点。

1 Bi1-xYxFeO3光催化剂的表征

1.1 不同Y掺杂量BFO样品的红外光谱分析

图1为不同Y掺杂量的BFO样品的FT-IR谱图。从图1中可以看出，在500℃下煅烧2 h的所有样品的红外谱图均相似，在550 cm-1和440 cm-1处有明显的属于FeO6八面体中的Fe-O和Bi-O键的2个吸收峰。与萨特勒标准红外光栅光谱集对照发现，特征峰的位置和形状并不是完全相同，表明此次合成的样品是有杂质的，与上述的XRD分析结果一致。综上所述，Y掺杂量的增加引起晶粒尺寸减小、比表面积增加、吸收峰发生蓝移等[3]。

图1 不同含量Y掺杂BFO的红外光谱图

1.2 不同Y掺杂量BFO的磁滞回线分析

图2为室温下不同含量Y掺杂BFO光催化粉末的M-H关系图。由图2可以看出，随着Y的掺杂，BFO的磁化强度并没有显著变化，而光催化效果最好的Y5反而磁化强度最小，可能是因为Y3+本身为非磁性电子，Y的掺杂没有起到增加磁化强度的作用。除此之外，由XRD和FT-IR可知，样品中存在Bi2O3杂质，也可能是因为杂质的存在造成磁化强度的降低。

图2 室温下不同含量Y掺杂BFO纳米粉体的M-H关系图

2 Bi1-xYxFeO3光催化剂的光催化及分析

2.1 不同Y掺杂量BFO的光催化性能分析

不同Y掺杂的BFO催化剂对刚果红随时间变化的降解曲线见图3。由图3可知，刚果红浓度与其初始浓度之比随时间的变化成指数关系，符合拟一级反应动力学方程[4]。在20 mg/L刚果红溶液中加入0.1 g光催化粉末进行光催化降解，通过比较发现，未掺杂的BFO对刚果红的降解率最低，仅仅达到30%左右；随着掺杂Y浓度增加，降解效率也随着增加，在掺杂浓度5%Y时，也就是Y5对刚果红的降解效果达到最好，光反应120 min降解率可达到86%，比未掺杂的样品催化效果提高56%左右。但是当Y的掺杂浓度达到7.5%时，对刚果红的降解率反而下降。上述结果说明，适当掺杂Y可以提高BFO的催化性能。

图3 不同Y掺杂的BFO催化剂对刚果红随时间变化的降解曲线图

由以上各项表征结果可知，Y的掺杂抑制了BFO晶体增长，引起晶体畸变，产生缺陷能级，适当缺陷的存在可以扩展对光的吸收范围，提高光生载流子的分离效率[5]，降低光生电子与空穴的复合概率；同时颗粒粒径减小，比表面积增大，活性位点增多，加快光生电子-空穴的扩散速率，提高光催化材料性能。

2.2 不同Y掺杂量BFO对于水中COD降解分析

不同Y掺杂的BFO催化剂对COD的降解曲线见图4。此次实验污水选自某污水厂进水水样，水样含悬浮物、浑浊、含黑色污泥、恶臭。取500 ml废水水样分别加入0.1 g BiFeO3、Bi0.95Y0.05FeO3光催化剂，经暗反应30 min后，利用300 W氙灯照射120 min，将光催化反应后的上清液取300 ml左右用于COD含量检测。通过试验检测结果，原废水水样的COD含量为85 mg/L，加入BFO纳米颗粒后的水样COD浓度减小到70 mg/L，而加入Bi0.95Y0.05FeO3光催化纳米粉体后的水样COD浓度为58 mg/L。结果显示，加入催化剂后实验过后的水样，悬浮物明显减少，更加清澈，微微浑浊[6]，轻微臭味，烧杯底部白色絮状物，加入BFO后COD浓度减少17%；而加入Bi0.95Y0.05FeO3后COD的浓度含量降解31%。铁酸铋催化剂对水中的COD浓度有一定的降解作用，掺杂Y后催化剂比纯铁酸铋对COD的降解效果更好[7]。

图4 不同催化剂对废水COD的降解效果

3 结 论

本文为研究降解污水处理厂高浓度有机物废水监测提供理论基础和技术支持[8]，通过研究乌鲁木齐市某污水处理厂的进水水样，研究结果如下：

1) BFO光催化降解刚果红溶液时，纯铁酸铋对刚果红的降解率为35%左右，Y5样品对刚果红的去除率可达到86%，比纯铁酸铋的降解效果增加56%左右。刚果红浓度与其初始浓度之比(Ct/C0) 随时间的变化成指数关系[9]，符合拟一级反应动力学方程。

2) BFO光催化降解废水溶液后，COD浓度减少17%，而加入Y5样品后COD的浓度含量降解了31%。铁酸铋催化剂对水中的COD浓度有一定的降解作用，掺杂Y后催化剂比纯铁酸铋对COD的降解效果更好。

3) 加入草酸铵以后，催化剂对刚果红的降解率为43.6%左右。由此可知，复合光催化剂光催化降解刚果红时起主要作用的活性物质是空穴[10]。