可見光響應光催化劑Bi20TiO32的制備及分解水中有機物效能與機理.pdf

1、利用光催化作用進行水處理的核心任務是尋找性能優(yōu)良的光催化劑，光催化劑的可見光響應程度是光催化技術實現太陽能的充分利用，走向實用化的關鍵，所以具備可見光響應的高效光催化劑的篩選及制備是光催化研究的核心課題。
　　Bi和Ti都因廉價無毒被稱為“綠色金屬”，Bi2O3和TiO2復合可形成具有多種晶相結構的復合氧化物，鈦酸鉍晶相的一種 Bi20TiO32尚未被系統研究過，本文制備并表征了鈦酸鉍Bi20TiO32，研究了其光催化降解有機物的

2、性能和機理。
　　首先用溶膠凝膠法制備光催化劑Bi20TiO32。實驗結果表明，在前軀體Bi/Ti比例為M時，300℃焙燒30分鐘制備的催化劑—Bi20TiO32主峰（201晶面）成長較好，其它各個晶面均發(fā)育良好，且雜質峰較少。焙燒溫度過高或保溫時間過長都會導致氧丟失，引起晶相的轉變；其它Bi/Ti前軀體比例則會使晶體發(fā)育不全或雜質過多。經表征該催化劑Bi20TiO32為錐形，顆粒大小約為90nm，比較容易聚結，BET比表面積為7

3、.96m2/g，等電點pH值為7.9。紫外可見漫反射光譜和光電壓光譜檢測顯示，所制備的Bi20TiO32具有高度可見光響應，響應波長達530nm，帶隙能較窄為2.34eV。經計算其價帶約為2.58V，價帶空穴電位足以氧化有機物，導帶0.24V，經測試費米能級在0.622V處，比較接近導帶，電子逸出功小，催化劑給電子能力強。
　　催化劑活性比較實驗表明，所制備的鈦酸鉍 Bi20TiO32和混晶鈦酸鉍相比，Bi20TiO32吸附能力較

4、強，催化降解有機污染物性能也優(yōu)于混晶催化劑。在相同催化劑質量的前提下，Bi20TiO32與P-25相比，在氙燈照射下降解甲基橙、苯酚時，P-25表觀速率常數較大，由于Bi20TiO32比表面積較小，它的比活性大于P-25。而在波長大于400nm的可見光照射下，Bi20TiO32光催化降解苯酚、甲基橙的速度遠遠大于P-25。Bi20TiO32降解苯酚的表觀速率常數為0.0133min-1，是P-25(0.0004min-1)的33.25倍

5、，降解甲基橙的表觀速率常數為0.0119min-1，是P-25(0.0038min-1)的3.13倍。說明鈦酸鉍Bi20TiO32具有良好的可見光催化降解有機物的性能。
　　催化劑的組成、晶體結構對光催化劑性能影響很大，外界因素也影響著催化劑的活性，優(yōu)化這些條件可以更好地發(fā)揮催化劑的性能。實驗發(fā)現短波長光照降解效果更好；提高光強度，有助于提高降解速率。pH值對降解效果的影響相當顯著，對催化劑的影響也是多方面的，其中最重要的一方面是

6、不同pH值下催化劑表面電荷不同，影響了對目標有機物的吸附，因而針對不同物質的光降解存在不同的最佳pH值。Bi20TiO32降解甲基橙在酸性條件下效果最佳，降解苯酚則是在中性條件較好。污染物濃度越低反應速率越快，說明光催化反應只適合于處理微污染水。向反應體系中曝氣不利于降解強吸附的甲基橙、苯酚，因為氣泡阻隔了反應物與催化劑的接觸。反應溫度在40℃時比20℃和60℃反應速度快，溫度過低不利于分子運動和中間產物從催化劑表面盡快脫附，而高溫又影

7、響了物理吸附。外加過氧化氫量低于4％(V/V)時，抑制了對甲基橙的降解；加入過氧化氫量超過6%(V/V)時，濃度越大越能促進光催化降解反應的進行。自來水和江水中的離子抑制了對甲基橙的降解，卻促進了亞甲基藍的光催化降解，這可能與光催化降解機理有關。
　　研究光催化作用機理的一個重要方面就是反應活性物種，這關系到反應位點和進攻有機物的位置，以及相應的不同的降解路徑、降解產物。經質譜分析，對羥基苯乙醇(4-hydroxybenzylal

8、cohol，HBA)的降解產物為對羥基苯乙醛(4-hydroxybenzaldehyde HBZ)，說明HBA被Bi20TiO32光催化降解是空穴和羥基自由基共同作用的結果。
　　為考察 Bi20TiO32光催化降解不同類型污染物活性物種的異同，目標污染物選擇了陰離子有機物甲基橙、陽離子型染料亞甲基藍和中性物苯酚，實驗主要通過加入活性物種抑制劑的方法來進行。實驗結果表明在去離子水中，強吸附的陰離子有機物甲基橙的光催化降解主要是光生

9、空穴的直接氧化造成的，因而反應位點應在催化劑表面。超氧陰離子自由基對甲基橙的光催化降解也有貢獻，但不是主要的活性物種。苯酚的光催化降解規(guī)律與甲基橙基本相同。弱吸附的陽離子型有機物亞甲基藍的光催化降解中，羥基自由基是主要活性物種，反應可能發(fā)生在催化劑表面或是其附近的溶液中。
　　在自來水和江水中，甲基橙和亞甲基藍的降解速度變化規(guī)律不同，這與主要活性物種的變化有直接關系。由于自來水和江水中陰離子的競爭吸附，甲基橙對空穴的利用率迅速降低

10、，甲基橙的降解速度也急劇下降，這時主要活性物種不再是空穴，而是次生的羥基自由基。亞甲基藍則由于水中陰離子的媒介作用，能更好地吸附于催化劑表面，從而更有效地利用空穴的直接氧化作用，降解速度反而提高了，這時主要活性物種不再是羥基自由基，而是空穴?？昭ǖ牧孔踊矢呒礉舛容^高，所以降解速度顯著加快。
　　光催化技術要得到大規(guī)模工業(yè)化應用所需要克服的另一關鍵問題就是催化劑的失活。研究發(fā)現Bi20TiO32光催化劑在使用之后晶型未變，說明其