水热法制备钨酸铋及其光催化性能
2021-01-08崔心蕾余梦春王哲禹
崔心蕾，余梦春，王哲禹
（绥化学院，黑龙江绥化 152001）
1 概述
在如今这个科学技术不断更新的社会中，环境污染和能源日渐枯竭的问题不断发生，解决这两大难题成为人类共同的愿望。如今，许多人还没有保护环境的意识，许多工厂产生的废水没有采取任何处理过程就随意排放，生活中产生的污水也不经过集中处理，不合理地使用化肥农药等问题使得环境越来越糟糕，现如今水污染已经成为世界性难题。钨酸铋半导体光催化剂能够有效地降解有机污染物，并且在可见光照射下能被激发，所以其活性非常高。与此同时能够催化分解水，具有非常好的发展前景。
2 实验部分
2.1 试剂与仪器
（1）试剂：去离子水为实验室自制，五水合硝酸铋、二水合钨酸钠、硝酸、氢氧化钠、亚甲基蓝、无水乙醇和十六烷基三甲基溴化铵均为分析纯。
（2）仪器：电子天平、磁力搅拌器、电热恒温鼓风干燥箱、超声波清洗器、离心机、马弗炉、X-射线衍射仪、紫外可见分光光度计。
2.2 材料的制备
在10mL 的稀硝酸中溶解0.971g 的Bi（NO3）3·5H2O 作为A 溶液，在20mL 去离子水中0.329g 的Na2WO4·2H2O 作为B 溶液，在磁力搅拌下将溶液B 逐滴加入A 中，加入表面活性剂CTAB 为0.1g，搅拌使悬浮液分散均匀。得到的悬浮液用NaOH 调节pH，然后将悬浮液移至聚四氟乙烯反应釜中，将反应釜置于烘箱中进行水热反应，待反应结束后将反应釜取出，自然冷却到室温。将产品转移到离心管中利用离心机进行高速离心，离心过程中得到的样品使用去离子水和乙醇交替洗涤三次，随后在60℃的烘箱中干燥8h，烘干后的产物放入300℃马弗炉中焙烧2h 后得到Bi2WO6。
2.3 光催化性能测试
取10mL 10mg/L 的亚甲基蓝溶液于石英管中，然后称取0.005g 的Bi2WO6样品加入石英管中，黑暗处磁力搅拌30min后，在300W 的氙灯光照下反应，每隔15min 取一次样，在离心机中进行高速离心，取离心后的上清液于664nm 的紫外分光光度计中测量其吸光度，然后计算降解率。
3 结果与分析
3.1 制备条件对钨酸铋光催化性能的影响
图1为不同pH 下制备的Bi2WO6光催化剂对亚甲基蓝的降解率曲线。由图1可以看出，光照60min 后pH 等于1、3、6、9的降解率分别为85.62%、87.93%、84.91%、62.68%。pH 为3时合成的Bi2WO6对亚甲基蓝催化效果最好。当pH 为1时，可能因为催化剂生长的形貌不均一或产生结块，使得催化剂的光催化活性不高。当pH 大于3时，钨酸铋光催化剂的光催化活性逐渐减小，这是由于前驱体的pH 越大，催化剂的粒径尺寸平均偏大，导致的光催化活性越低。
图1 反应pH对钨酸铋光催化性能的影响
图2为不同反应温度下制备的Bi2WO6光催化剂对亚甲基蓝的降解率曲线。由图2可知，光照60min 后温度为120℃、140 ℃、160 ℃、180 ℃的降解率分别为54.30%、70.82%、87.96%、60.62%，温度为160℃时降解率最好。当温度低于160℃时，由于某些物质不能完全分解挥发而导致催化剂的活性偏小。当温度升高到180℃时，因为温度偏高，生成的颗粒尺寸较大，所以表面积减小，从而导致使其活性位点较低。
图3为不同反应时间下制备的Bi2WO6光催化剂对亚甲基蓝的降解率曲线。由图3 可知，光照60min 后，反应时间为2h、4h、6h、8h 的降解率分别为80.09%、87.99%、72.49%、52.10%。水热反应时间为4h 制备的Bi2WO6光催化剂对亚甲基蓝的降解效果最好。当反应时间长于4h 时钨酸铋光催化剂对亚甲基蓝的降解效果逐渐降低，这可能是由于反应时间过长导致催化剂的活性被抑制，而使其结构发生了一定程度上的改变。当反应时间过短时，可能因为光催化剂的反应不够充分，而使其光催化性能较低。
图2 反应温度对钨酸铋光催化性能的影响
图3 反应时间对钨酸铋光催化性能的影响
图4 为不同焙烧温度下制备的Bi2WO6光催化剂对亚甲基蓝的降解率曲线。从图4可看出，光照60min 后焙烧温度为200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃的降解率分别为81.05%、87.99%、69.69%、68.63%。当焙烧温度为300℃时对染料的降解率最好。焙烧温度为200℃时，可能是因为有的有机物质未完全挥发，催化剂孔道被堵住，致使其活性位点较低。焙烧温度400℃后催化剂对染料的降解率逐渐降低，可能是由于温度过高使催化剂的结构遭到破坏导致活性位点减少，所以催化剂的催化性能降低。
图4 焙烧温度对钨酸铋光催化性能的影响
3.2 钨酸铋样品的结构分析
图5 最佳条件下制取的Bi2WO6材料的前驱体及300℃焙烧后的样品XRD图
图5 显示的为最佳条件下制备的Bi2WO6的前驱体以及300℃焙烧后样品的XRD 图。由图5可知，没有生成杂乱的峰，证明合成出的样品比较纯净，生成的峰型都是较尖锐的，证明得到的样品的晶型较好。并且每一个衍射峰生成的位置都能与钨酸铋的标准卡片（JCPDS NO.39-0256）相对应[3]。所以无论是前驱体还是焙烧后的样品都是比较纯净且晶型较好的钨酸铋材料。
4 结束语
本论文采用水热法合成钨酸铋光催化剂，目标降解物为亚甲基蓝，对所合成的催化剂的催化性能进行了研究分析，主要结论如下：
1）采用水热法合成钨酸铋，最佳的合成条件是pH 为3，反应时间为4h，反应温度是160℃，焙烧温度为300℃，焙烧时间为2h。在氙灯照射下，钨酸铋光催化剂在60min 内对亚甲基蓝的降解率可达87.99%。
2）对最佳合成条件下制备的样品进行XRD 检测，产生的衍射峰与钨酸铋标准卡片一致，证明合成的样品无论是前驱体还是焙烧后的都是纯度较高且结晶性较好的Bi2WO6材料。
