水热法制备钒酸铋及其光催化性能研究★

崔心蕾，李 冉，代懿涵，王哲禹，国林玉，王鑫怡

（绥化学院，黑龙江 绥化 152000）

0 引言

随着光催化技术的发展，半导体光催化剂也得到了迅速发展，钒酸铋近年来被科学家们应用在光催化领域，是在可见光下催化性能较好的光催化剂，由于其具有良好的光催化特性[1]，使人们越来越关注钒酸铋在光催化领域的研究。钒酸铋催化剂具有很多优点，如，化学稳定性较好、在水溶液中稳定性好，在水溶液中无毒、对环境无毒，降解有机物能力强，能够达到降解有机物的目的[2]。钒酸铋催化剂本身无毒无害的性质，还可用应用于多种领域，如，钒酸铋呈亮黄色所以可用作无机染料，导电性较好可用作电极材料，利用光催化杀菌性质可以作为抗菌材料[3]。我国在光催化研究上正处于快速发展的阶段，许多高等院校和研究院都开展了这项研究工作。同时，由于目前我国在治理环境污染层面有着巨大需求，因此对光催化的研究是十分必要的。

1 实验部分

1.1 水热法制备钒酸铋

称取质量比为5∶1 的钒酸铵（NH4VO3）和硝酸铋[Bi（NO3）3·5H2O]粉末放入烧杯中，然后加入2 mol/L的HNO3溶液，得到的悬浮液用NaOH 调节其pH 值。搅拌半小时后，把悬浮液倒入聚四氟乙烯反应釜中进行水热反应，反应结束后将反应釜取出，待反应釜冷却后将得到的产品用水和无水乙醇清洗6 次，最后放入烘箱中于100 ℃干燥4 h。

1.2 光催化性能测试

取5 mL 质量浓度为10 mg/L 的罗丹明B 溶液于20 mL 石英管中，再用分析天平称量5 mg 钒酸铋粉末加入石英管中，放入超声机中超声5 s，随后放入光催化仪中进行暗反应，暗反应半小时后取出，将溶液倒入离心管中离心取上层清液，使用紫外分光光度计在554 nm 的吸收波长下测其吸光度，然后将取出的溶液全部倒回石英管中，用300～500 W 金卤灯照射，每隔半小时重复上述步骤测得吸光度，然后根据式（1）计算降解率，找到最佳的水热反应条件[4]。

式中：A0为罗丹明B 溶液的初始吸光度；A 为罗丹明B 的质量浓度，mg/L。

1.3 催化剂的表征

使用X 射线衍射（XRD）对最佳水热合成条件下制备的钒酸铋催化剂进行结构表征，2θ 的测量范围为10°～80°。

2 实验结果与分析

2.1 水热反应pH 对催化剂光催化性能的影响

在水热反应中当pH 为6、7、8、9 时合成钒酸铋催化剂，在金卤灯照射120 min 后，对罗丹明B 溶液的降解率分别为74.0%、88.7%、68.4%、61.5%。图1 可以看出，催化剂碱性越强得到的降解率越低，而在中性条件下降解率最高，说明中性条件下制得的催化剂光催化效果最好。由文献表明，水热反应pH 为7 时制备的BiVO4催化剂，由于粒径较小、畸变程度大、晶面裸露度高及光生电子和空穴复合率低的特点，显示出了优异的光催化性能[5]。所以将后续实验中水热反应pH 设定为7。

图1 反应pH 对催化剂光催化性能的影响

2.2 水热反应温度对催化剂光催化性能的影响

将水热反应温度设为200、180、160、140 ℃的条件下制得钒酸铋催化剂，光催化罗丹明B 的降解率分别为44.2%、54.9%、68.6%、82.9%。由图2 数据可以得出，水热反应温度越高，光催化效果越差，水热反应温度越低，催化剂对罗丹明B 的光催化效果越明显。这是因为，高温破坏了催化剂的结构，降低了催化剂的光催化性能，所以又将温度设制为120、100、80、60 ℃的条件下制得钒酸铋催化剂，其他反应条件不变，对罗丹明B 溶液的降解率分别为88.7%、96.5%、70.9%、60.9%。结果表明，温度过低会导致反应不充分，没有使催化剂形成较好的晶型，导致催化剂的光催化性能不理想。水热应温度为100 ℃时催化效果最好，所以将反水热应温度设定为100 ℃。

图2 反应温度对催化剂光催化性能的影响

2.3 反应时间对催化剂光催化性能的影响

在反应时间为4，6、8、10 h 的条件下合成钒酸铋催化剂，通过计算得出，光照120 min 后催化剂对罗丹明溶液的降解率分别为56.9%，66.9%、96.5%、77.6%（图3）。实验发现，8 h 的条件下制得的钒酸铋催化剂量最多，催化剂的光催化效果最好；4 h 时的条件下得到的钒酸铋催化剂量最少，催化剂的光催化效果最差。这表明催化剂的性能与反应时间有关，由于反应时间不够，导致催化剂没有充分反应，所以催化剂的光催化效果不好；而反应时间太长，会破坏催化剂的晶型，降低催化剂的光催化性能。

图3 反应时间对催化剂光催化性能的影响

2.4 样品的物相分析

图4 是在最佳水热反应条件下制备的BiVO4样品的XRD 图谱，样品在（011）、（110）、（121）、（040）、（200）、（002）、（141）、（151）、（231）、（240）、（202）、（161）存在衍射峰，经过比对所有衍射峰与标准卡片BiVO4（JCPDSNO 14-0688）上衍射峰基本一致，表示合成的催化剂为单斜相纯BiVO4。图4 可以清楚地看到，XRD 图谱中没有杂质峰出现，并且特征峰都很尖锐，说明制得的BiVO4纯度较高[6]。

图4 最佳水热反应条件下制备的BiVO4 样品的XRD 图

3 结论

本文通过改变水热反应条件，制得光催化性能不同的钒酸铋催化剂，把罗丹明B 的脱除作为指标，以金卤灯为光源进行光催化测试，确定最佳的水热反应条件，并用XRD 进行表征。结果表明：

1）水热法制备钒酸铋光催化剂的最佳水热反应条件为：水热反应pH=7、反应温度100 ℃、反应时间8 h。

2）在最佳水热反应条件下制备的钒酸铋光催化剂，用金卤灯照射，罗丹明B 为目标降解物，光催化120 min 后降解率达到96.5%。

3）通过XRD 分析可知，在最佳水热反应条件下得到的催化剂为单斜相纯BiVO4。