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化学共沉淀法制备超薄BiOCI纳米片及其光催化性能

2020-09-13 来源:小侦探旅游网
第31卷第3期 陕西科技大学学报 Journal of Shaanxi University of Science&Technology Vo1.31 No.3 Jun.2013 2O13年6月 文章编号:1000—5811(2013)03—0051—04 化学共沉淀法制备超薄BiOCl 纳米片及其光催化性能 徐 才 ,吴俊林 *1 朱刚强 ,刘 运 ,(1.陕西师范大学物理学与信息技术学院,陕西西安 710062;2.陕西科技大学电气与信息工程学院,陕 西西安 710021) 摘 要:采用化学共沉淀法在室温下制备了超薄Bi0Cl纳米片,并对所制备的粉体在100~ 500℃进行热处理.利用XRD、TEM、UV—Vis等手段研究了不同温度下所得到粉体的晶体结 构、微观形貌及光学性能,并对不同热处理温度下所制备粉体在可见光照射下对亚甲基蓝和甲 基橙染料的光催化性能进行了研究.光催化结果表明,可见光照射下T一500样品对亚甲基蓝染 料具有最佳的光催化活性;而T一400样品在可见光照射下对甲基橙染料具有最佳的光催化活 性.最后对所制备粉体的可见光光催化活性机理进行了分析. 关键词:化学共沉淀;BiOC1;光催化降解 中图法分类号:O643.36 4 文献标识码:A Preparation of the BiOCI ultrathin nanosheets by chemical CO—precipitation method and its phOtOcatalytic property XU Cai ,WU J un—lin ,ZHU Gang—qiang ,LIU Yun。 (1.College of Physics and Information Technology,Shaanxi Normal University,Xi an 710062,China;2.Col— lege of Electrical and Information Engineering,Shaanxi University of Science&Technology,Xi an 710021, China) Abstract:Ultrathin BLOC1 nanosheets were prepared at room temperature by room—tempera— ture chemical CO—precipitation method,and the as—prepared powders were heat—treated at the temperatures of 100~500℃.The crystal structure,morphology and optical property of the as—prepared BiOC1 nanopowders were characterized by X—ray diffraction(XRD),transmis— sion electron microscope(TEM),and UV—Vis speetrophotometry.The visible—light photo— catalytic property of the as—prepared BiOC1 nanopowders for MB and MO were invistigated. The photocatalytic results show that T一500 sample with the best photocatalytic activity for MB,while T一400 sample with the best photocatalytic activity for Mo.Finally,the photocat— alytic mechanism of the photocatalysts for MB and MO were also discussed. Key words:chemical CO—precipitation;BiOC1;photocata1ytic degradation 收稿日期:2013-03—15 基金项目:国家自然科学基金项目(51272148,51102160);中央高校基本科研业务费专项资金项目(GK201102027) 作者简介:徐才(1985一),男,陕西府谷人,在读硕士研究生,研究方向:纳米光催化材料 通讯作者:吴俊林(1953一),男,陕西西安人,教授,硕导,研究方向:光生物学,junlinwu@sNnu.edu.an ・ 52 ・ 陕西科技大学学报 第31卷 0 引言 近年来,半导体光催化技术作为一种新型的环 境污染物削减技术引起了国内外研究者的关注,它 利用半导体氧化物材料在光照下表面能够受激发, 产生的电子和空穴具有很强的氧化还原能力,可以 与吸附在半导体表面上的物质发生氧化还原反应, 还原重金属离子等目的,同时也能够抗菌和清除异 味 ・ . 由于光催化技术可利用太阳能在室温下发生 反应,比较经济;而且如光催化剂TiO。等,自身无 毒、无害、无腐蚀性,且可反复使用,可将有机污染 物完全矿化成H ()和无机离子,无二次污染,所以 有着传统的高温、常规催化技术及吸附技术无法比 拟的优势,从而在污水处理、空气净化、太阳能利 用、抗菌和自清洁功能等方面具有更广阔的应用前 景 . BiOC1是一种具有高度各向异性的层状结构 半导体 ],也是一种重要的化工产品,具有高效、稳 定、无毒等特点,近年来广泛用于医药制作的中间 载体、精细化工、以及制备铋盐等。j。 j.同时BiOC1 作为一种新型的半导体材料,由于具有独特的电子 结构、良好的光学性质和可见光光催化性能等,而 成为光催化剂研究的一个热点材料[7].Zhang 等 人采用水解法制得片状BiOC1晶体,以甲基橙为 降解对象,发现BiOC1具有很好的光催化活性 ], 其催化效果甚至优于商用的P25.鉴于BiOC1是一 种很有前景的光催化材料,而化学共沉淀法又是 制备纳米材料的有效方法,化学共沉淀法不仅可以 使原料细化和均匀混合,而且具有制备工艺简单、 煅烧温度低、时间短、产品性能良好等优点l_1 “]. 本文通过室温下化学共沉淀法制备了Bi()C1 超薄纳米片,以罗丹明B和甲基橙染料溶液为研 究对象,研究了在不同热处理温度下BiOC1超薄 纳米片的光催化降解效果.旨在寻求一种简单、有 效的制备方法来获得高效的Bi()C1光催化剂.同 时还研究了BiOC1光催化剂光催化降解有机污染 物的机理. 1 实验部分 1.1 实验试剂 氯化铋(BiC1。)、氨水、去离子水.实验所用试 剂为分析纯,使用中未经过进一步提纯. 1.2 BiOC1超薄纳米片的制备 称取一定量的BiC1。粉体溶人稀HC1中,磁搅 拌数分钟使其充分溶解,然后加入适量去离子水, 在室温下不断搅拌,向溶液中缓慢滴加氨水调节其 pH为10,可得到白色的沉淀物,继续搅拌5分钟, 清洗干净后得到白色的沉淀物,最后白色粉体在 60℃烘干,得到纳米结构的BiOC1粉体. 将上面所得到的BiOC1粉体分别在100~500 ℃热处理2 h,最后获得不同热处理温度下BiOC1 纳米结构. 1.3光催化过程 催化反应之前,向夹套石英玻璃试管的间隙中 通入冷却水,以确保所有的催化反应都在25℃下 进行,选用400 W的金卤灯作为光源,在其照射下 研究所制备的BiOCl粉末样品光催化降解亚甲基 蓝(MB)和甲基橙(MO)染料溶液催化活性. 其具体的催化反应过程为:首先将50 mg的 BiOC1粉末加入到浓度为50 mI 10 mg/L的MB 或MO溶液中,然后将混合液放在黑暗条件下搅 拌30分钟,让染料在催化剂的表面达到吸附和解 析平衡.再用400 W的金卤灯照射混合液体,此时 光源中心距夹套试管表面的垂直距离为10 cm.每 隔一段时间取5 mL反应液在8 000 r/min下离心 5 min后,利用液体紫外可见分光光度计来测试不 同时间段亚甲基蓝或甲基橙溶液的浓度. 2结果与讨论 2.1 BiOC1粉体的XRD图谱及微观结构分析 利用x一射线粉末衍射技术对所制备粉体的晶 20/Degree a:室温下;b:100℃;c:200℃;d:300℃;e:400℃;f:500℃ 图l 不同温度下所制备Bi()Cl 样品的XRD图谱 体结构进行研究.图1是在室温下采用化学共沉淀 法制备出的BiOC1粉体和分别在100℃,200℃, 300℃,400℃,500 oC热处理后的XRD图谱.从 第3期 徐才等:化学共沉淀法制备超薄Bi0cl纳米片及其光催化性能 ・53・ 图1中可以看出,通过化学共沉淀法在室温下所制 备的BioCl粉体具有良好的结晶度,各衍射峰位 置和强度与四方相BioC1(JCPDS 06-0249)的完 全一致,说明所得样品为具有四方晶相的BiOC1 粉体.随着热处理温度的增加,BiOC1粉体的XRD 衍射峰没有明显的变化,而且在衍射峰中也没有出 现第二相,这说明所制备的粉体具有较好的温度稳 定性. 采用透射电镜来观察所制备粉体的微观形貌. 图2为室温下所制备BioCl粉体和在500℃热处 理所获得粉体的TEM图.从图2(a)可以看出,在 室温下制备的BiOC1粉体由大量具有片状结构的 纳米片交织在一起.从图2(b)中可以看出BioCl 纳米片的厚度为5~10 nm.图2(c)是单个BiOC1 纳米片的HRTEM照片,图中晶格条纹清晰可见, 对所得高分辨晶格条纹进行进一步计算分析,晶面 间距为0.275 nm,对应于BiOC1的(110)品面的间 距.图2(d)是室温下所合成BiOC1纳米片经500 ℃热处理2 h后所得到粉体的TEM照片,从图中 看到经热处理后BiOC1粉体仍然保持片状结构. (a)室温F所制备样品的TEM图(b)室温F所制备样品的TEM 图(c)室温下所制备样品的HRTEM图(d)500℃热水处理后的 TEM图 图2 不同温度下样品的TEM和HRTEM图 2.2 BlOCl粉体的UV—Vis分析 图3是不同温度下所制备粉体的UV Vis吸 收光谱.从图3中可以看出,BiOC1粉体在紫外光 区域有较强的吸收,其吸收带边约为370 nm,这说 明BioCl纳米粉体具有较大的禁带宽.而随着热 处理温度的升高,粉体的吸收边也随之发生红移现 象,热处理温度为500℃时,其吸收边约为400 nm. 2.3 RioCl粉体的光催化性能分析 图4(a)是不同热处理温度所得Bi()C1粉体在 400 W金卤灯照射下对亚甲基蓝染料的光催化分 图3 不同温度下所制备样品 的紫外一可见吸收光谱 解效率图.经光照19 min后,在室温下所制备的 BiOC1粉体对MB染料的降解率为88 ;在经过 300℃热处理后的T一300样品的催化下有接近 9O 的MB被降解;经过400℃热处理的T一400样 品的催化下有接近92 的MB被降解;而经过500 ℃热处理的BiOC1的催化下有接近99 的MB被 降解.所以,BiOCl纳米片在催化MB染料时,用经 过500℃热处理的T一500样品具有最佳的催化效 果. 图4(b)是MB染料溶液在500℃热处理的T一 500样品光降解过程中随光照时间变化的紫外一可 见吸收光谱.从图中可以清楚地看到,在光催化的 过程中,MB在654 nm处吸收峰的强度明显下降, 说明随着反应的进行,溶液中MB染料的浓度明显 下降. 图5(a)是不同热处理温度所得BioCl粉体在 400 W金卤灯照射下对甲基橙染料的光催化分解 效率图.Mo染料溶液经光照10 min后,在室温下 所合成的BiOC1粉体对MO溶液的降解率为 90 ;在经过300℃热处理的BiOCl的催化下有 接近95 的Mo被降解;经过400℃热处理的 BiOCl的催化下有接近99 的MO被降解;而经 过500℃热处理的BLOC1的催化下有接近85 的 Mo被降解.因此,在光催化Mo染料时,用经过 400℃热处理的T一400样品具有最佳的催化效果, 这样的光催化反应活性比文献报道的高出很多,说 明热处理温度在光催化Mo反应中起着重要的作 用E . 图5(b)为MO染料溶液在400℃下热处理过 的BioC1粉体光降解过程中随时间的紫外一可见吸 收光谱.从图中可以清晰地看到,在光催化的过程 中,MO染料的主要吸收峰的强度明显下降,说明 随着反应的进行,溶液中Mo的浓度明显下降,当 第3期 张珠峰等:溶剂热法制备室温铁磁性Cr掺杂CdS纳米棒 ・ 59 ・ [1O]Quan Z.,Yang D.,I.i C.,et a1.A general chemical con— version route to synthesize various Zn()Based core/shell [15]Wang Q.S.,Xu Z.Q.,Nie Q.L.,et a1.Hydrothermal preparation and characterization of Cd0 9 Mn0 l S nano— structures[J].Langmuir,2009,25(14):10 259-10 263. 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