Page 149 - 《精细化工》2022年第12期
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第 12 期                   李明月，等: Fe 掺杂 Bi 12 TiO 20 光催化剂的制备及光催化性能                        ·2515·


            的利用率，研究发现，铋的化合物〔如 Bi 4 Ti 3 O 12 、                 1    实验部分
            Bi 2 O 3 、BiFeO 3 、BiFeWO 6 、BiVO 4 、Bi 2 WO 6 、Bi 2 MoO 6 、
            Bi 2 Fe 4 O 9 、Bi 5 FeTi 3 O 15 、Bi 4 Ti 3 O 12 、Bi 2 S 3 、BiOX(X=Cl、  1.1    试剂与仪器
            Br、I)等〕是很有前景的材料             [7-8] ，这些材料在可              Bi(NO 3) 3 •5H 2O、钛酸四丁酯〔(C 4H 9O) 4Ti〕，AR，
            见光下降解水中污染物方面具有很大潜力。                                天津市大茂化学试剂厂；FeCl 3 、NaOH、浓硝酸（质
                 Bi 12 TiO 20 由于具有独特的电子结构、优良的可                 量分数 68%）、浓氨水（质量分数 24%），AR，天津
            见光吸收能力而被广泛研究。但是 Bi 12 TiO 20 的禁带                   市欧博凯化工有限公司；MB，AR，黄海制药公司；
                                                               去离子水，实验室自制。
            宽度约为 2.7 eV，只能吸收部分可见光发挥光催化
                                            [9]
            活性，可见光下的光催化效率较低 。因此，如何                                 D8Advance 型 X 射线衍射光谱仪，德国布鲁克
                                                               公司；SU8010 型扫描电子显微镜，日本日立公司；
            扩大 Bi 12 TiO 20 光催化剂的光响应范围，提高催化剂
                                                               UV-1800 型紫外-可见分光光度计，上海精密仪器仪
            的光催化活性成为热门研究领域。研究者采用很多
                                                               表有限公司；JT-GHX-BC 型光化学反应仪，杭州聚
            方法对 Bi 12 TiO 20 光催化剂进行改性来提高其光催化
                                                               同有限公司；TGD-20 型高速离心机，湖南湘鑫仪器
            效率，通过对 Bi 12 TiO 20 进行过渡金属、贵金属、非
                                                               仪表有限公司；Agilent Cary  5000 型光谱仪，美国
            金属元素掺杂等方法来克服其可见光利用率低等缺                             安捷伦公司；ESCALAB 250 型 X 射线光电子能谱
            点 [10] 。元素掺杂在 Bi 12 TiO 20 光催化剂中能够形成新
                                                               仪，美国热电公司；ASAP 2010 型比表面及孔隙度
            的杂质能级，通过拓宽 Bi 12 TiO 20 光谱响应的范围，
                                                               分析仪，美国 Micrometrics 公司；Agilent Cary3500
            进而增强 Bi 12 TiO 20 光催化剂的光催化性能。YAO
                                                               紫外-可见-近红外分光光度计，美国安捷伦公司。
            等 [11] 制备了 Ba 掺杂的 Bi 12 TiO 20 ，当 Ba 质量分数为         1.2   催化剂的制备
            时，0.5% Ba-Bi 12 TiO 20 光催化剂对甲基橙的降解效                    称取 Bi(NO 3 ) 3 •5H 2 O（1.710 g, 3.525 mmol）溶
            果达到最佳，但是该催化剂降解 10 mg/L 甲基橙溶                        于 10 mL 去离子水中，剧烈搅拌直至溶解，按
                                                   –1
            液时的表观反应速率常数仅有 0.0204 min ；WEI                      n〔Bi(NO 3 ) 3 •5H 2 O〕∶n〔(C 4 H 9 O) 4 Ti〕=12∶1 用移
            等 [12] 采用溶胶-凝胶法合成 N 掺杂的 Bi 12 TiO 20 ，但            液枪取(C 4 H 9 O) 4 Ti（0.1 mL，0.294 mmol）缓慢滴入
            是，其对光的吸收范围也只从 420 nm 扩大到 500 nm。                   到 Bi(NO 3 ) 3 •5H 2 O 溶液中，边加边搅拌，之后缓慢
                                                  3+
            Fe 作为典型的过渡金属元素，其半径与 Bi 相近，更                        滴入 1 mol/L NaOH 溶液（60 mL），调节 pH 至 13，
            加容易掺杂到 Bi 12TiO 20 光催化剂内，从而可以有效                    室温下搅拌 30 min。搅拌好的混合溶液转移至
            提高 Bi 12 TiO 20 光催化剂的光催化性能        [13-14] 。SHI 等   100 mL 高压水热釜中，将高压釜放在干燥箱内
            [15]                                               180 ℃下反应 24 h。水热结束后，冷却至室温，用
               利用水热法制备了 Fe-TiO 2 ，与 TiO 2 相比，其吸
            收边带发生了红移，带隙从 TiO 2 的 3.24 eV 下降到                   去离子水离心洗涤 3 次，将产物在 60  ℃下干燥 5 h，
            2.99 eV。CHIN 等   [16] 合成了 Fe-ZnO 材料，Fe 的掺          550  ℃热处理 0.5 h，制备出 Bi 12 TiO 20 （简称 BTO）。
            杂能够通过与 ZnO 的价带（VB）或者导带（CB）                             称取 Bi(NO 3 ) 3 •5H 2 O（1.710 g, 3.525 mmol）溶
            相互作用产生带隙内能级来缩小 ZnO 的带隙，这些                          于 10 mL 去离子水中，剧烈搅拌直至溶解，按
            都充分说明 Fe 元素在光催化剂改性方面发挥着越                           n〔Bi(NO 3 ) 3 •5H 2 O〕∶n〔(C 4 H 9 O) 4 Ti〕= 12∶1 用移
                                                               液枪取(C 4 H 9 O) 4 Ti（0.1 mL，0.294 mmol）缓慢滴入
            来 越重要 的作 用。虽 然已 有利用 元素 掺杂 对
                                                               到 Bi(NO 3 ) 3 •5H 2 O 溶液中，边加边搅拌，之后缓慢
            Bi 12 TiO 20 进行改性的报道，但是就 Bi 12 TiO 20 对光的
                                                               滴入 1 mol/L  NaOH 溶液（60 mL），将不同质量的
            吸收范围而言，仍然具有很大研究潜力。鲜见 Fe 元
                                                               FeCl 3 加入到反应液中，室温下搅拌 30 min。将混合
            素掺杂在 Bi 12TiO 20 催化剂的报道，所以，将 Fe 元素
                                                               液转移至聚四氟乙烯反应釜内在干燥箱内 180  ℃下
            引入到 Bi 12 TiO 20 催化剂中，希望能够探究 Fe 掺杂
                                                               反应 24 h。水热结束后，冷却至常温，用去离子水
            对 Bi 12 TiO 20 催化剂光吸收范围的影响。
                                                               离心洗涤 3 次后，将产物在 60  ℃下干燥 5 h，550  ℃
                 本实验以 Bi(NO 3 ) 3 •5H 2 O 为铋源、钛酸四丁酯
                                                               热处理 0.5 h，制备出 Fe-Bi 12 TiO 20 （简称 Fe-BTO）。
            〔(C 4 H 9 O) 4 Ti〕为钛源、以 FeCl 3 为铁源、水作为溶剂，
                                                               Fe 的掺杂量为 2%、5%、8%〔以 Bi(NO 3) 3•5H 2O 和
            制备出 Fe 掺杂的 Bi 12 TiO 20 光催化剂，利用 XRD、
                                                               (C 4H 9O) 4Ti 质量之和为基准，下同〕时，依次加入
            UV-Vis DRS、SEM、氮气吸附-脱附、XPS 等对其进
                                                               0.0362、0.0905 和 0.1448 g FeCl 3 ，制备的样品分别记
            行结构表征与分析，考察光催化剂对亚甲基蓝（MB）                           为 2% Fe-BTO、5% Fe-BTO 和 8% Fe-BTO（统称为
            的降解效果，同时评估了其重复利用性能。本文研                             Fe-BTO）。
            究内容对于在可见光下降解水中污染物方面具有一                             1.3   表征
            定的理论参考价值。
                                                                   采用 X 射线衍射光谱仪进行 XRD 表征，Cu K α
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