沉淀pH值对制备(BiO)2CO3光催化活性的影响

程朝柱，钟俊波，李建章

(1.绿色催化四川省高校重点实验室，四川 自贡 643000；2.四川理工学院化学与制药工程学院，四川 自贡 643000)



沉淀pH值对制备(BiO)2CO3光催化活性的影响

程朝柱1,2，钟俊波1,2，李建章1,2

(1.绿色催化四川省高校重点实验室，四川 自贡 643000；2.四川理工学院化学与制药工程学院，四川 自贡 643000)

采用沉淀法制备(BiO)2CO3光催化剂，利用X射线衍射(XRD)、紫外-可见漫反射(UV-vis DRS)、孔隙及比表面(BET)和表面光电压(SPV)等对光催化剂进行表征。以甲基橙作为模拟污染物，在氙灯光照下，考察催化剂的光催化性能。结果表明：pH=8.5制备的催化剂具有最高的光生电荷分离速率和比表面积，其光催化活性最高，光照20 min对甲基橙的脱色率达到73.81%。

(BiO)2CO3；沉淀法；光催化活性

引 言

随着有机染料的广泛使用，其带来的环境污染问题也日益严重[1]。光催化反应由于是在光和催化剂同时作用下所进行的化学反应，融合了光反应和催化反应的诸多优点，这使其在众多有机染料的处理方法中具有良好的应用前景[2-5]。

(BiO)2CO3作为一种新型的光催化剂，具有化学稳定性高、无毒、耐光腐蚀等优良特点[6-7]。在已有的(BiO)2CO3研究中，涉及光生电荷分离的研究鲜有报道[8-10]。本文采用沉淀法制备(BiO)2CO3光催化剂，考察pH值对制备(BiO)2CO3及其光催化活性的影响，采用表面光电压仪(SPV)研究了催化剂的光生电荷分离效应，以甲基橙作为模拟有机污染物评价催化剂的光催化活性，得出了一些有意义的结论。

1 实验内容

1.1 实验药品和仪器

实验过程中所用的Bi(NO3)3·5H2O、(NH4)2CO3(均为分析纯)购买于重庆川东化工有限公司，实验用水为去离子水。

PHS-25C数显酸度计(上海大普仪器有限公司)，HL-2型恒流泵(上海沪西分析仪器厂)，DF-101S型集热式恒温加热器(巩义市予华仪器有限公司)，78-1型磁力加热器(杭州仪表电机厂)，ESJ182-4型电子分析天平(沈阳龙腾电子有限公司)，Phchem Ⅲ型光化学反应仪(北京纽比特科技有限公司)，SIGMA 2-16P型离心机(德国sigma公司)，V-1100型可见分光光度计(上海美谱达仪器有限公司)。

1.2 催化剂制备

配制0.2 mol/L 的Bi(NO3)3溶液和3 mol/L (NH4)2CO3溶液。用恒流泵将上述两种溶液滴加到500 mL烧杯中得到沉淀悬浊液，调节以上两种溶液的滴加速度控制沉淀pH值分别为7.0、7.5、8.0、8.5和9.0。沉淀反应后将悬浊液90 ℃水浴2 h，冷却、过滤、洗涤，将沉淀于酒精中分散，60 ℃下烘干即得(BiO)2CO3。

1.3 催化剂的表征

XRD采用辽宁丹东方圆仪器有限公司DX-2600型X射线衍射仪，测试条件：管电压40 kV，管电流25 mA，起始角度10°～70°。紫外-可见漫反射在北京普析通用有限公司TU-1907紫外可见漫反射仪上测定，波长扫描范围230 nm～850 nm。比表面在北京彼奥德有限公司SSA-4200型孔隙及比表面测定仪上测定，吸附质：N2。表面光电压采用自组装的表面光电压测定仪。

1.4 光催化活性测定

称量50 mg催化剂于100 mL石英试管中，加入50 mL浓度为 10 mg/L甲基橙溶液，置于光反应仪中，磁力搅拌。500 W氙灯光照20 min，离心分离，取上清液于460 nm测量甲基橙的吸光度，计算出甲基橙的脱色率，所有数据取3次实验的平均值。

2 实验结果与讨论

2.1 催化剂表征

图1为所制备催化剂的XRD图谱。通过和标准PDF卡片(JCPDS NO.81-4752)比对可知：样品的衍射峰和标准卡片一致，表明所制备催化剂均为(BiO)2CO3。无其他衍射峰存在，表明样品纯度较高。

图1 催化剂XRD图谱

图2是催化剂的紫外-可见漫反射图谱。由于曲线部分重叠，只列出了三个样品的紫外-可见吸收。从图2可以看出，所有样品均有相似的能带宽度。考虑到测量误差，样品对光的响应没有明显差异，结合光催化活性结果可以看出，光催化活性差异不是由催化剂对光的响应差异而引起的。

表1为催化剂的比表面参数。由表1可知：随着pH值的增大，催化剂的比表面和孔容存在先增大后减小的趋势，pH=8.5制备的的催化剂具有最大的孔容和比表面积。高比表面积有利于吸附更多有机污染物参与反应，增强催化剂的活性，这和催化剂的活性实验结果相一致。

图2 催化剂紫外-可见漫反射谱图

表1 催化剂比表面参数

图3为催化剂的表面光电压图。从图3可以看出，随着沉淀pH值的增大，催化剂的表面光电压峰值存在先增大后减小的趋势，pH=8.5制备的催化剂具有最强的峰值。根据SPV测定原理，强SPV峰值对应于高的光生电子-空穴分离速率[10]，因此该样品具有最高的光生电荷分离速度，有利于提高催化剂活性，这和催化活性结果基本一致。

图3 催化剂SPV图谱

2.2 催化剂活性

空白试验表明，有光催化剂无光照，20 min后，pH=8.5制备的样品对甲基橙吸附脱色率为8%，其他样品对甲基橙的吸附脱色率均低于3%；无催化剂有光照，20 min后甲基橙溶液的光解率低于4%。结合光催化活性结果表明甲基橙的脱色主要是光催化作用，同时表明高比表面有利于提高对甲基橙的吸附，从而提高光催化活性。

图4是样品对甲基橙的光催化脱色率图。由图4可以看出，随着沉淀pH值的增大，甲基橙的脱色率先增大后减小，pH=8.5制备的催化剂具有最高的光催化活性，光照20 min，该样品对甲基橙的脱色率达到了73.81%。

图4 催化剂的活性图

结合所有表征结果，pH=8.5制备的催化剂具有最高的光催化活性，因为有较高的光生电荷分离速率和高比表面。

3 结束语

以Bi(NO3)3·5H2O和(NH4)2CO3为原料，采用沉淀法控制pH值制备出了(BiO)2CO3光催化剂。实验结果表明：pH=8.5制备的催化剂具有最高的光催化活性，这归因于其有较高的光生电荷分离速率和高比表面。

[1] 汪淑廉,何燕,顾彦,等.以PEG为模板剂制备Bi2O2CO3及其可见光光催化性能[J].环境工程学报,2014,8(4):1297-1304.

[2] FAN D,LEE S C,WU Z B,et al.Template-free fabrication and growth mechanism of uniform (BiO)2CO3hierarchical hollow microspheres with outstanding photocatalytic activities under both UV and visible light irradiation[J].Journal of Materials Chemistry,2011,21:12428-12436.

[3] ZHANG Y L,LI D Y,ZHANG Y G,et al.Graphene rapped Bi2O2CO3core-hell structures with enhanced quantum efficiency profit from an ultrafast electrontr ansfer proess[J].Journal of Materials Chemistry,A,2014,2(22):8273-8280.

[4] MA L,XU X Y,ZHOU X P,et al.Facile Template free Synthesis of Bi2O2CO3Flowerike Architectures in Ethylene Glycolater System[J].Chemistry Letters,2014,43(6):947-949.

[5] PENG S J,LI L L,TAN H T,et al.Monodispersed Ag nanoparticles loaded on the PVP assisted synthetic Bi2O2CO3microspheres with enhanced photocatalytic and superapacitive performances[J].Journal of Materials Chemistry,A,2013,1(26):7630-7638.

[6] CAO J,LI X,LIN H L,et al.Low temperature synthesis of novel rodlike Bi5O7I with visible light photocatalytic performance[J].Materials letters,2012,76:181-183.

[7] FAN D,LEE S C,WU Z B,et al.Rose-like monodisperse bismuth subcarbonate hierarchical hollow microspheres:one-pot template-free fabrication and excellent visible light photocatalytic activity and photochemical stability for NO removal in indoor air[J].Journal of Hazardous Materials,2011,195:346-354.

[8] ZHANG X C,GUO T Y,WANG X W,et al.Facile compositionontrolled prepration and photocatalytic application of BiOCl/ Bi2O2CO3nanosheets[J].Applied Catalysis,B,2014,150/151:486-495.

[9] LIANG N,ZAI J T,XU M,et al.Novel Bi2S3/ Bi2O2CO3heterojunction photocatalysts with enhanced visible light responsive activity and waste water treatment[J].Journal of Materials Chemistry,A,2014,2(12):4208-4216.

[10] ZHONG J B,LI J Z,FENG F M,et al.Improved photocatalytic performance of SiO2/TiO2prepared with the assistance of SDBS[J].Mol.Catal.A:Chem,2012,357:101-105.

Effect on Different Precipitation pH on the Photocatalytic Performance of (BiO)2CO3

CHENGChaozhu1,2,ZHONGJunbo1,2,LIJianzhang1,2

(1.Key Laboratory of Green Catalysis of Sichuan Institute of High Education, Zigong 643000, China;2.School of Chemical and Pharmacentical Engineering ,Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, China)

(BiO)2CO3was prepared by precipitation method with different pH and characterized by X-ray diffraction (XRD), UV-Vis diffuse reflectance spectroscopy(UV-vis DRS), Brunauer-Emmett-Teller (BET), and surface photovoltage(SPV). The photocatalytic performance of samples was evaluated by employing photocatalytic decolorization of methyl orange (MO) aqueous solution under Xe light irradiation. The results show that the (BiO)2CO3prepared with pH=8.5 exhibits the highest separation rate of photo-induced charge and BET surface area, the decolorization of MO is 73.81% after 20 min illumination.

(BiO)2CO3; precipitation; photocatalytic performance

2015-11-11

江苏省环境功能材料重点实验室开放项目(SJHG1307)；绿色催化四川省高校重点实验室开放项目(LZJ14202)

程朝柱(1989-)，男，四川巴中人，硕士生，主要从事光催化方面的研究，(E-mail)512563276@qq.com

1673-1549(2016)01-0017-03

10.11863/j.suse.2016.01.04

O64.4

A