水热法控制合成Bi12O17Cl2及其结构表征(2)
3.2 光学性质 15
3.3 可见光下的光催化性能 16
结 论 20
致 谢 21
参考文献22
1 引言
1.1 光催化的意义
在过去的几十年里，光催化技术已经逐步发展成了一门新兴的绿色环保技术。利用半导体在光照条件下表面能会受激活化的特性可以有效地光催化分解水、氧化分解有机污染物（能将有机污染物分解为无机物质，且无二次污染）和还原重金属离子，在治理环境方面具有广阔的应用前景，因此越来越多的研究者都开始对它进行研究[1-5]。其中，TiO2由于其光催化活性高，输送成本低，化学和光化学稳定性，无毒，环境友好等特点，成为了研究和应用最为广泛的半导体光催化剂[6,7]。然而，在TiO2的表面上和体相内的光生电子和空穴重组速率太快，导致其量子产率低下；且它的禁带宽度较大 (3.0–3.2 eV)，因而TiO2在可见光下的光催化活性极低，只有在紫外光的照射下才能引发其光催化反应[8-11]。为了更高效的利用太阳光，我们需要制备得到新型的可见光光催化剂，现阶段主要有两种方法来实现这一目的，一是对TiO2进行掺杂和修饰；二是制备全新的非TiO2可见光光催化剂[12-15]。其中铋系半导体光催化剂是非TiO2可见光光催化剂中很重要的一类。
1.2 主要铋系半导体光催化材料
1.2.1 三氧化二铋
三氧化二铋的化学式为Bi2O3，它有4种主要晶相和2种非常规化学计量相，分别为单斜晶相α-Bi2O3，四方晶相β-Bi2O3，体心立方晶相γ-Bi2O3，面心立方晶相δ-Bi2O3，以及非化学计量比的Bi2O0.75和Bi2O2.33。它的禁带宽度可从2eV分布至3.96eV，能吸收可见光和紫外光。Bi2O3作为光催化剂的优点是它的大部分晶相催化活性都比P25 TiO2高，具有良好的折射率、介电常数、抗水性以及荧光特性，这些优点都使它能够用于光催化分解水和降解有机污染物[16,17]。但是，Bi2O3作为光催化剂也有缺点，它的光生电子/空穴容易复合，光量子效率极其低下，而且它在反应过程中不稳定，容易发生相态的转变[18,19]。离子掺杂是一种稳定晶体结构的有效方法，但即使人们对它进行了广泛的研究，仍没有取得十分有效的成果。
1.2.2 含铋金属氧化物
含铋金属氧化物有钨酸铋、钛酸铋、钒酸铋以及三氧化二铋与其他金属氧化物组成的复合氧化物[17]。钨酸铋的化学式为Bi2WO6，它为层状结构且具有独特的物理化学性质，在多个领域具有很好的实用性。Bi2WO6具有的独特的价带结构能够有利于光生载流子的移动，从而促使光生电子/空穴的分离，有利于有机污染物的光催化降解反应[20]。钛酸铋有多种，主要物质的化学式为Bi4Ti3O12、Bi2Ti2O7和Bi2Ti4O11，它的光催化活性的高低主要由它的电子和晶体结构决定。钛酸铋在可见光范围内具有优异的光催化活性，能较高效率的利用太阳能。但是钛酸铋的制备十分困难，一是由于硝酸铋一旦遇水便会迅速水解生成硝酸氧铋沉淀，使反应体系难以形成钛酸铋前驱体；二是由于Bi3+的离子半径比Ti4+大的多，这使Bi3+很难进入TiO2晶格；三是由于钛酸铋十分不稳定，容易发生晶相转变[21]。钒酸铋的化学式为BiVO4，它一共有4种不同的晶型，其中光催化活性最大的是单斜晶相的BiVO4。现在已有文献报道的制备单斜晶相BiVO4的方法有超声法、水热法、共沉淀法等等[18]。但是纯BiVO4吸附性较差，光生电子/空穴对易复合，这使它现在还无法实现大规模应用。