Bi2O3纳米片的水相一步合成及其光催化性能

金光德， 王轶

( 延边大学理学院 化学系， 吉林 延吉 133002 )

Bi2O3纳米片的水相一步合成及其光催化性能

金光德， 王轶*

( 延边大学理学院 化学系， 吉林 延吉 133002 )

以Bi(NO3)3·5H2O为原料，NaOH为沉淀剂，丙三醇为控制剂，采用水相一步沉淀法在90 ℃的温度下制备了厚度约为5 nm的Bi2O3纳米片.利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、紫外-可见(UV-vis)漫反射(DRS)吸收光谱、紫外-可见分光光度计对样品的结构形貌和光催化性能进行了表征和分析.结果表明，所得产物为单斜结构的纳米片，且具有较好的可见光催化性能.

Bi2O3纳米片； 水相一步法； 光催化

近年来，国内外越来越多的研究者致力于开发可见光响应型光催化剂[1-3]，其中Bi2O3由于禁带宽度较窄(2.83 eV)，尤其是纳米尺寸的Bi2O3所具有的特殊的表面键性和更多的氧空位能够大大提高催化活性和选择性，因此成为人们关注的新型可见光催化剂.目前，合成纳米尺寸Bi2O3的方法主要有微乳法、气相沉积法、水热法、飞秒激光烧蚀法、沉淀煅烧法[4-7]，这些方法虽能制备出纳米尺寸的Bi2O3，但其反应条件苛刻(高温、高压、激光)，且需要昂贵的有机金属试剂，因此有必要探索简单易行的制备方法.本文采用简单的沉淀法在水相体系中一步合成了Bi2O3纳米片，并用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、紫外-可见光谱仪对样品进行了表征，以甲基橙为模型降解物，研究了样品的光催化性能.

1 实验部分

1.1 实验试剂和仪器

实验所用主要试剂为：硝酸铋(AR)，氢氧化钠(AR)，丙三醇(AR)，硝酸(AR)，乙醇(AR).实验所用仪器为：日本SHIMADZU公司XRD-6000型X射线衍射仪(Cu Kα radiation λ=1.541 8 Å)(XRD)，日本JEOL公司JSM-6700F型扫描电镜(SEM)，日本HITACHI公司U-3400型紫外-可见光谱仪(UV-vis DRS),紫外-可见分光光度计.

1.2 实验方法1.2.1 合成方法 称取0.97 g Bi(NO3)3·5H2O(2 mmol)溶于20 mL的HNO3(1 mol/L)溶液中，向其加入0.5 mL的丙三醇，室温下搅拌10 min后温度升至90 ℃，然后将20 mL的NaOH(1.5 mol/L)溶液缓慢加入反应体系中;反应2 h得到最终产物，过滤，洗涤，在空气气氛中50 ℃干燥12 h即得黄色样品.

2 结果与讨论

2.1 晶体结构

利用XRD对样品的晶体结构、物相组成进行分析(图1).图1中样品所有谱线的位置均与Bi2O3标准XRD谱图(JCPDS 41-1449)相一致.在衍射角(2θ)为27.28°、33.10°、46.36°时显示出较强的衍射峰，这些衍射峰分别归属于单斜相氧化铋的120、200、041晶面衍射.样品无晶态杂质峰，即所得样品为纯的单斜相氧化铋(α-Bi2O3,JCPDS 41-1449).

图1 Bi2O3纳米片的XRD谱图

2.2 晶体形貌和生长机制

图2为所得样品的SEM图像.从图2(a)可以看出，合成的样品形貌为纳米片，其尺寸从几百纳米到几千纳米不等；从图2(b)可以看出，纳米片的厚度约为5 nm，其表面粗糙(图2(b)中箭头所示).纳米片表面粗糙表明纳米片生长包括两个步骤：先由超小纳米粒子组装成厚度更薄的片状结构，然后这些片状结构再通过层层堆叠的方式自组装成纳米片(图3).

图2 Bi2O3纳米片的SEM图像

图3 Bi2O3纳米片生长机制示意图

2.3 光吸收性质

图4是Bi2O3纳米片的紫外-可见(UV-vis)漫反射(DRS)吸收光谱.由图可以看出，波长在270 nm≤λ≤510 nm处有明显的光吸收(吸收谱带)，其属于电子从价带跃迁到导带引起的吸收，为氧化铋的直接带隙吸收.

图4 Bi2O3纳米片的紫外可见(UV-vis)漫反射(DRS)吸收光谱

禁带宽度是光催化性能的重要指标，光催化剂的禁带宽度越窄，被激发所需要的能量越低，其表现为对可见光的吸收利用率的增强[8].样品的光学禁带宽度(带隙能)可根据其紫外-可见(UV-vis)漫反射(DRS)吸收数据推算得出.根据Kubelka-Munk函数，本文利用(α hv)2对hv作图，在(α hv)2～hv曲线的高能部分，两者呈线性关系.外推这一线性部分至(α hv)2=0处可得到样品的禁带宽度Eg[9].图5是样品的吸收系数α、光子能量hv和禁带宽度(带隙能)Eg间的关系图，由图5可看出，推导出的样品禁带宽度Eg=2.75 eV，相应的带边在可见光区λ=452 nm.与体相Bi2O3相比(Eg=2.83 eV)，样品的禁带宽度变窄，可吸收光的波长范围增加.

图5 Bi2O3纳米片的吸收系数α、光子能量h v和禁带宽度Eg的关系图

2.4 光催化性能

为与非光解因素引起的甲基橙的降解进行对比做空白实验.空白实验1：将100 mL浓度10 mg/L的甲基橙溶液，放在500 W汞灯(滤掉420 nm以下的光)下照120 min后测其吸光度(不加任何催化剂).空白实验2：在100 mL浓度10 mg/L的甲基橙溶液中加入0.2 g催化剂(样品)，避光反应120 min后测其吸光度.从表1给出的空白实验结果可以看出，无催化剂的样品在可见光照射的情况下，取样溶液的吸光度比原始溶液的吸光度相比略有下降，说明只有光照甲基橙难以降解；含有催化剂的样品在黑暗条件下发生反应，取样溶液的吸光度比原始溶液的吸光度明显下降，说明含有催化剂的样品具有较好的吸附性能.

表1 空白实验结果

图6为样品对甲基橙的光催化降解性能图.从图中可以看出：当t光照时间<60 min时，甲基橙的降解速度相对较快；当t光照时间>60 min时，甲基橙的降解速度逐渐减慢；当t光照时间=100 min时，甲基橙的降解率达到85%.由此可见，制备的Bi2O3纳米片对甲基橙具有较好的光催化性能.

3 结论

本文采用简单的一步水相法制备出了厚度约为5 nm的高纯度Bi2O3纳米片.纳米片生长包括两个步骤：①超小纳米粒子组装成厚度更薄的片状结构；②片状结构通过层层堆叠的方式自组装成纳米片.纳米片的禁带宽度Eg=2.75 eV，样品在光照100 min时对甲基橙的降解率可达85%，这表明本文所得的Bi2O3纳米片具有较高的吸附性能和可见光催化活性.

图6 Bi2O3纳米片对甲基橙的可见光催化降解率

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One-step aqueous synthesis of Bi2O3nanosheets and their photocatalytic activity

JIN Guangde, WANG Yi*

(DepartmentofChemistry,CollegeofScience,YanbianUniversity,Yanji133002,China)

Bi2O3nanosheets were synthesized by precipitating bismuth nitrate with sodium hydroxide under one-step aqueous process at 90 ℃ in the presence of glycerol. The thickness of Bi2O3nanosheets was about 5 nm. The crystal structure, morphology and photocatalytic activity of the product were characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM), UV-visible diffuse reflectance spectrum (UV-vis DRS) and UV-vis spectrophotometer. The results indicated that the product was nanosheets with monoclinic structure and had better performance on visible light photocatalysis.

Bi2O3nanosheets； one-step aqueous process； photocatalytic activity

2014-10-27

1004-4353(2015)01-0034-03

N55

A

*通信作者： 王轶(1971—)，女，博士,副教授，研究方向为功能材料物理化学.