卤化氧铋制备及其光催化性能研究文献综述

 2021-10-08 06:10

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1.1 光催化简介

光催化现象是20世纪70年代rijishima和Honda等人研究水在二氧化钛(TiO2)电极上的光致分解时发现的，他们设计了一个太阳光伏电池是根据植物的光合作用原理。即在水中插入一个铂电极和一个n型半导体二氧化钛(TiO2)电极，当用波长低于415nm的光照射在TiO2电极上时，发现在铂电极上释放出氢气，同时在TiO2电极上可以释放出氧气。在上述的光致半导体分解水的过程中，在反应前后半导体仅作为一种媒介且不发生变化，但人们借助它却可以把光能转化为化学反应的推动力。在某种意义上，半导体与催化反应中催化剂具有相类似的作用。随后的大量研究发现，不用外电路直接将沉积有金属Pt的TiO2悬浮于水中，在光照条件TiO2也能将水分解。光催化就是在这个概念和方法的基础上发展建立起来的[1]。

1.2 卤氧化铋的催化原理

由于晶体中原子之间是相互作用的，而使原子某个轨道的能级分裂成一组能量非常相近的能级，将这些能级称之为能带。根据不同的核外电子能级，可以把这些能级划分为三种能带：满带，导带和空带；满带是全部被电子充满的能带，导带是部分被电子充满的能带，在电场的作用下，导带中的电子可以从能量较低的能级跃迁到能量较高的能级，从而形成电流，空带是没有电子的能带，禁带是能带之间的区域，禁带中是不允许有电子存在的[2-5]。卤氧化铋的价带主要被O2p 和 Xnp (对于 F、Cl、Br 和 I、n 分别为2、3、4 和 5) 占据着，导带主要是 Bi6p 轨道。当光子把Xnp 上的电子激发到Bi6p 轨道上时，可以形成一个光生空穴-电子对，同时BiOX(X =Cl、Br、I) 的层状结构具有足够的空间来极化相应的原子和原子轨道，这一诱导偶极矩能够有效地将空穴与电子分离，从而提高光催化剂的催化性能，又由于BiOX (X = Cl、Br、I )是间接跃迁带隙，因此激发电子必须穿过某些 k层才能到达价带，这就降低了激发电子和空穴再次复合的几率。由于同时存在开放式结构和间接跃迁模式，所以有利于空穴-电子对的有效分离和电荷转移，这就是BiOX(X= Cl、Br、I)具有较高光催化活性的原因[6]。通过照射半导体光催化剂，使其价带上的电子受到激发后跃迁到导带，并分别在价带和导带上形成光生空穴和电子，在水中产生氧化能力极强的.OH-自由基[7]。

2. 卤氧化铋的制备方法

目前制备微卤氧化铋的方法主要有水解法，软模板法，水热法，溶胶-凝胶法和高温固相法等。此次实验主要采取水热法制备卤氧化铋。水热法也称之为溶剂热法，它能够提供高温高压的极度条件 ，我们可以通过控制反应参数(如反应温度，溶剂种类， pH值和反应时间等)，我们不但可以实现对产物形貌，径粒的初步控制，而且还能够得到复杂的化合物。但是水热法的设备复杂且成本比较高，操作复杂，所以距离工业化生产还有一段距离。同时我们将尝试在去离子水中加入KCl和硝酸铋，钨电极在此溶液中放电，看是否能生成BiOCl。水热法，以乙二醇为溶剂，加入等摩尔量的硝酸铋和KX(Cl、Br、I)，搅拌后加入到聚四氟乙烯内胆中，再放入不锈钢反应釜中锁死，放到烘箱，160度保温12小时[8]。以乙二醇为溶剂反应得到的是微球状BiOCl，而以水为溶剂反应得到的是片状BiOCl。

3．研究方法

制备出卤氧化铋后，采用XRD、XPS、SEM、TEM、DRS、SPS以及光催化降解等测试手段对所合成的光催化剂的形貌，结构及其光催化作用机理，光催化性能进行分析研究。使用UV对催化剂的催化效果进行测定[9]。

4．催化剂催化性能的研究

以常见有机染料甲基橙为探针，以氙灯为光源，附加水冷夹套，选取合适的滤光片使透过的光波长大于420nm。使用甲基橙溶液模仿被污染的水，使用催化剂对其进行催化，检测其催化活性的强弱。在室内条件下，使用光源对甲基橙溶液进行照射，催化剂对甲基橙溶液进行催化。照射一段时间后，取样进行检测，根据溶液中残余甲基橙的多少来判断催化剂催化活性的强弱[7]。

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