目前，虽然技术正处于突飞猛进阶段，但以其为代价的环境污染和能源问题是人们面临的挑战和迫切需要解决的难题。因此，能充分利用太阳能实现光解水制氢或降解有机污染物的新型光催化材料及催化技术引起了广泛关注。光催化剂是指在光照条件下，通过该材料发生化学反应所需的一类光催化材料^[1]。光催化剂通过光照条件下，自身产生光生电子-空穴对，来产生光催化作用，从而间接的将太阳能有效地转换为污染物降解所需要的化学能，有机物在这一过程中被降解为CO₂，H₂O及无机离子，没有二次污染，从而有效的缓解环境污染问题，是一种拥有广阔应用前景的绿色无污染环境治理技术。例如，由石油工业中产生的有机污染物就可以通过使用光催化剂，并利用太阳能使其分解成二氧化碳、水以及对自然没有危害的有机小分子有机酸。除此之外，可以利用光催化剂在光照条件下光分解水产生氢气或氧气^[2]，并作为清洁能源使用，缓解目前因煤炭石油等资源日益匮乏而引起的能源危机问题。光催化剂同时还是一种环境友好型材料，在抗菌除臭、室内净化等环境改善领域都有诸多应用^[3]。所以，光催化材料及光催化技术目前已经成为全球科研工作者高度关注和重点研究的对象^[4]。

在目前研究的光催化材料中，钒酸铋（BiVO₄）光催化剂由于具有可见光响应、化学性质稳定、价格低廉以及资源丰富等优点而受到了广泛关注。钒酸铋（BiVO₄）禁带宽度窄（约为2.4 eV^[5,6]），具有三种晶相结构，即四方锆石型、单斜白钨矿型和四方白钨矿型。其中，以带隙能为2.4 eV单斜相BiVO4的光催化活性最高。有研究表明：通过对BiVO₄表面晶面的控制可以有效转移光生电子和空穴，从而提高其光催化活性^[7]。例如单晶BiVO₄的{010}面是电子传输面，而{110}面是空穴传输面。当将这两种暴露面结合时便可以有效实现其光生电子和空穴的骨架分离，从而有效提高光催化活性^[8]。

而由于钒酸铋的电极电位比标准电极电位更正，导致其在制氢方面的能力较弱，所以主要关注其利用空穴降解污染物方面的性能。通过光还原法将空穴助剂选择性修饰在特定晶面上，可以有效将光生电荷进行转移及界面催化反应。研究表明，将助剂FeOOH通过光还原沉积法得到的BiVO₄ / FeOOH光电阳极显著改善光电流和水的光氧化稳定性，这是基于氧化物的光电极中较好的系统。特别地，BiVO₄ / FeOOH光电阳极在低偏压下表现出优异的性能。^[9]

本论文拟以Bi(NO₃)·5H₂O和NH₄VO₃为原料，浓NH₃·H₂O调节pH，采用水热法来促进BiVO₄的生成，通过控制浓NH₃·H₂O的量、温度、反应时间来控制合成催化性能优良的BiVO₄。最后我们通过光还原法将FeOOH选择性修饰在（110）晶面，实现光生空穴的有效转移与催化效应，并探索不同负载含量对其性能的影响。本实验中合成样品的光催化剂，其光催化活性是通过在室温常压下模拟降解甲基橙（MO)进行评估。

2. 研究的基本内容与方案

一、BiVO₄纳米片的合成^[10,11]

1. 称取0.8422g NH₄VO₃和3.4923g Bi(NO₃)₃·5H₂O分别溶于30 ml，2M HNO₃之中,将偏钒铵酸缓慢的滴加至五水合硝酸铋溶液中，剧烈搅拌；

2. 将浓氨水缓慢（控制滴加速度在7-8s/滴）滴加到混合溶液中，直至沉淀完全 ，搅拌30 min，静置沉降2 h；

3. 将溶液转移至100 ml水热釜中，再在180℃下水热24 h，将产品收集后离心洗涤，在60℃下烘12 h，即得BiVO₄纳米片；

4. 通过控制浓NH₃·H₂O的量、温度、反应时间来控制合成催化性能优良的BiVO₄。^[12,13]

   BiVO₄制备流程图（钒酸铋的制备）

   剩余内容已隐藏，您需要先支付 10元 才能查看该篇文章全部内容！立即支付