生物质模板法制备Bi掺杂ZnO及其太阳光催化性能

摘要采用生物模板法，以脱脂棉为模板、Zn(OAC)2·2H2O为锌源、Bi(NO3)3·5H2O为铋源、乙醇-水为溶剂，在不同的浸泡时间、焙烧温度、焙烧时间和掺杂摩尔分数下通过浸渍-热转化制备了一系列Bi2O3/ZnO催化剂。使用扫描电子显微镜、热重分析、X射线衍射等技术表征了产物形貌和结构。以亚甲基蓝作为模板反应，太阳光为光源，考察了Bi2O3/ZnO系列材料的光催化活性。结果表明：浸泡2h、焙烧温度为600℃、焙烧时间为2h的条件下制得的Bi掺杂摩尔分数1.0%的Bi2O3/ZnO催化剂，在太阳光照射390min时对亚甲基蓝的降解效果最佳，降解率高达95.21%。与纯氧化锌ZnO相比，降解率提高了16.77%。Bi2O3/ZnO具有良好的稳定性和可循环使用性，在光降解偶氮染料方面具有潜在的应用价值。引言光催化技术在水解产氢、空气净化和污水治理等领域具有广阔的发展前景。但现有的光催化剂普遍存在光响应范围窄，太阳能利用率低和量子转换率不高的缺陷，已成为制约光催化剂应用的瓶颈。近年来，发展环境友好型可见光催化剂已成为污水处理方面的必然趋势。Bi系氧化物是一类应用广泛的功能材料，其中Bi2O3是p型半导体材料，吸收可见光可激发价带电子发生跃迁，在光催化方面具有潜在的应用，而亚稳定相的四方体β-Bi2O3能带隙较窄（2.58eV），能被可见光激发产生氧化能力强的空穴，有较高的光催化活性。ZnO是n型宽禁带半导体材料（3.37eV），易产生光腐蚀。单独用Bi2O3和ZnO作催化剂处理废水时存在光量子效率低且空穴与光生电子易复合的缺点。能隙不同的半导体复合可使光生电荷在两种半导体间传送，降低复合速率，使光生电荷得到有效的分离而延长寿命，甚至拓宽半导体的光谱响应范围，进而改善催化性能，如CeO2/ZnO、CeO2/Bi2O3、Bi2O3/TiO2、WO3/Bi2WO6、ZnO/Bi2O3复合材料的光催化性能均优于单一的催化剂。其中，Bi2O3与ZnO复合构成的p-n型异质结可以有效地促进光生电荷的迁移与分离，提高催化剂的光利用率，进而改善光催化效率。生物模板法是以自然界天然生物材料或经简单人工处理的生物质为模板，将模板充分浸渍在前驱液中，模板的活性基团与无机晶粒相互作用使得无机晶粒均匀的附着在模板表面，然后通过高温焙烧技术去除模板，制备出复制模板微观形态结构的材料的方法。该方法原料来源丰富、形貌精致、价格低廉、操作简单安全、反应温和、绿色环保、形貌可控且能将生物质资源变废为宝等优势，为合成形貌复杂多样的材料提供了新思路。目前以脱脂棉、纤维素、香樟叶、芭蕉叶、玉米秸秆等为模板制备的生物逸态金属氧化物已被广泛应用于催化领域。用玉米秸秆为生物模板，通过高温煅烧和水热法相结合制备了Bi2WO6/TiO2复合材料，探究了Bi2WO6/TiO2在可见光条件下对罗丹明B的降解效果。研究发现，与无模板法制备的Bi2WO6/TiO2催化剂相比，模板法制备的光催化性能更佳。本文选用脱脂棉为模板物，以环保无毒的乙醇-水为混合溶剂，将脱脂棉浸泡到醋酸锌和硝酸铋的混合溶液中，利用脱脂棉上的羟基均匀地吸附无机晶粒，经烘干和高温焙烧得到Bi掺杂ZnO太阳光催化剂，研究制备工艺条件对催化剂在太阳光照射下降解亚甲基蓝性能的影响。以期为寻找出制备简单、环保而高效的可见光催化剂提供参考，对发展循环经济、改善生态环境，提高资源利用率意义重大。

正文部分1

实验部分1.1

主要仪器与试剂1.2

Bi掺杂ZnO催化剂的制备1.3

亚甲基蓝太阳光光催化降解实验1.4

样品表征2

结果与讨论2.1

前驱物的TG-DTG分析图1是以脱脂棉为模板制备的生物逸态铋掺杂氧化锌前驱体的TG-DTG曲线图。2.2

催化剂物相分析焙烧时间对最终产物的结构和性质有显著影响，焙烧时间短，前驱物分解不完全，而时间过长易导致颗粒团聚并出现烧结现象，降低了样品比表面积。图2是不同焙烧时间制备的样品XRD谱图。2.3

催化剂微观形貌分析图3是相同Bi掺杂量，不同焙烧温度制备所得系列材料的SEM图。由图可知，不同温度焙烧制备得到的催化剂都承袭了脱脂棉模板物原有的纤维形貌。2.4

光催化降解性能2.4.1

浸泡时间的影响图4为在不同浸渍时间（1、2、3和4h）条件下制备的1.0%Bi2O3/ZnO对亚甲基蓝的光催化活性图。2.4.2

煅烧温度的影响图5是在最佳浸渍时间下制备的前驱体经500、600、700、800

℃焙烧得到的1.0%Bi2O3/ZnO对亚甲基蓝的光催化活性图。2.4.3

焙烧时间的影响合适的焙烧时间对节约能源和提高样品的催化性能都意义重大。图6是浸渍2h获得的前驱体在600℃条件下焙烧不同时间制得的1.0%Bi2O3/ZnO对亚甲基蓝的光催化活性影响图。从图中可以看出，焙烧时间由1h延长至4h的样品对亚甲基蓝的降解率依次为86.12%、95.21%、90.97%和82.05%。2.4.4

Bi掺杂量的影响在上述最佳条件下制备的Bi掺杂量不同的Bi2O3/ZnO系列材料（Bi的含量0%、0.5%、0.75%、1.0%、1.5%、2.0%）在太阳光下降解亚甲基蓝的活性见图7。2.4.5

光催化剂的稳定性采用在最佳条件下制备的1.0%Bi2O3/ZnO复合材料在相同的反应条件下4次光催化降解亚甲基蓝的循环实验来评价催化剂的稳定性，见图8。

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结论结论以来源丰富的脱脂棉为模板，通过醋酸锌和硝酸铋前驱体溶液浸渍，经高温焙烧制备了六方纤锌矿系ZnO和β-Bi2O3复合物催化剂，以亚甲基蓝染料的脱色降解为模板反应，研究了浸渍时间、焙烧时间和温度以及Bi掺杂量对复合物催化剂催化降解效率的影响。光催化降解亚甲基蓝的实验结果表明，最佳的制备工艺为：浸渍