BiOCl纳米片的制备及其可见光催化降解有机污染物性能

邓崇海;叶海水;高雅;王欢;孙宏瑞

【摘 要】采用绿色超声化学技术成功地制备出了分级结构的半导体BiOCl纳米片，通过X－射线粉末衍射（ XRD）和扫描电子显微镜（ SEM）对BiOCl纳米片的物相和形态学结构进行了测试表征。可见光催化性能试验表明：以LED灯为光源，纳米TiO2（P25）和以NaCl为原料制得的单晶圆片为对照，这种分级结构的BiOCl纳米片展现了结构增强的可见光催化降解有机污染物的性

能。%Hierarchical BiOCl nanosheets were successfully prepared via a green ultrasonic chemical method.The products were characterized in detail by X-ray powder diffraction ( XRD ) and scanning electron microscopy ( SEM ) . According to the photodegradation of MB and Rhodamine B organic pollutants under visible light irradiation ( LED lamp) , compared to nano TiO2 (P25) and BiOCl disk-like crystals photocatalysts using NaCl as raw materials, the hierarchically structured BiOCl nanosheets exhibited excellent photocatalytic activity. 【期刊名称】《广州化工》 【年(卷),期】2015(000)014 【总页数】3页(P67-69)

【关键词】氯氧化铋;超声化学;光催化;可见光 【作 者】邓崇海;叶海水;高雅;王欢;孙宏瑞

【作者单位】合肥学院化学与材料工程系，安徽合肥 230601;安徽阳益环保工程科技有限公司，安徽合肥 230601;合肥学院化学与材料工程系，安徽合肥 230601;合肥学院化学与材料工程系，安徽合肥 230601;合肥学院化学与材料工程系，安徽合肥 230601 【正文语种】中 文

【中图分类】O611.62;O614.53

水是人类社会生产、生活中不可缺少的自然资源，从开始工业革命到现在，人类利用和改造自然的能力不断增强，规模不断的扩张，导致煤炭、石油、天然气等重要的能源资、源不断的减少枯竭，同时，大量未经处理的工业废水，生活污水排放到江河湖海中，这些废水、污水在环境中不断地积累、迁移和转化，使得水体污染问题日益严重，生态环境遭到破坏，严重威胁着人类的生命安全和生态的可持续发展。为解决环境污染、能源资源枯竭等问题，实现社会经济的可持续发展，如何有效的开发利用太阳能就成为解决问题的关键性途径之一。与此同时，随着科学技术的发展，作为重要组成部分的半导体光催化技术［1］得到了社会的普遍关注，主要是由于其可以充分的利用太阳能，且无污染，成本低，一方面可以将太阳能转化为清洁的氢能和电能，很好的解决了资源枯竭问题，另一方面，光催化过程中产生的氧化物种可以降解有机污染物，从而使环境污染的问题得到有效的解决;当然，除此之外其还有许多其他的作用，如杀菌、脱色、防臭等等。从日本的A.Fujishima和K.honda 两位科学家在1972 年发表的二氧化钛在紫外光(λ＜400 nm)的照射下，H2O 可以分解为O2 和H2 两种物质为起点［2］。现代纳米技术的发展也为催化技术的应用与发展提供了机会，半导体光催化剂材料在降解有机污染物和利用太阳能等方面的应用也取得了很大的发展，时至今日，传统的光催化剂有TiO2 和

Fe2O3 等氧化物，以及磷酸盐、钨酸盐和铋的氧化物等新型的半导体光催化剂［3－5］。本文采用绿色超声化学技术成功地制备出了分级结构的半导体BiOCl 纳米片，考察了其在可见光催化降解亚甲基蓝(MB)和罗丹明B(RhB)的性能，为太阳光的利用和环境有机污染物治理提供有益借鉴。 1 实验部分 1.1 试剂及仪器

(1)试剂:五水硝酸铋(AR)、十六烷基三甲基氯化铵(AR)、95%的乙醇(AR)和浓硝酸(AR)，均购自国药集团上海化学试剂有限公司，使用前并未作进一步纯化处理，实验所用去离子水为实验室自制。

(2)仪器:KQ－50 超声清洗器;FA2004B 电子天平;DNP－9022·1 型电热恒温鼓风干燥箱;SHZ－Ⅲ循环水真空泵;CJJ－931 恒温磁力搅拌器;TTR－Ⅲ型X－射线衍射仪;J－8010 场发射扫描电子显微镜;HC－2064 超速离心机;UV－5500PC 紫外－可见分光光度计。 1.2 合 成

在电子天平上称取0.4 mmol 五水硝酸铋于蓝盖瓶中，加1 mL 浓硝酸于蓝盖瓶中抑制铋离子水解，并用19 mL 去离子水溶解配置成20 mL 的溶液，搅拌均匀;再称取0.8 mmol 的十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)用40 mL 去离子水溶解、搅拌均匀;在将两种溶液混合放入到超声清洗器中，超声反应30 min，调节反应的时间、温度、功率和转速;待反应结束后取出锥形瓶，使其自然冷却、沉淀过夜后抽滤，并以去离子水和95%乙醇交替洗涤3 次，然后放在60 ℃的烘箱中干燥8 ～10 h 收集样品，在五水硝酸铋与CTAC 以1∶10 的摩尔比，T=60 ℃，t=30 min 的条件下合成的氯氧铋样品标记为BiOCl－C。为比较样品的可见光催化性能，在相同的合成条件下，以NaCl 为氯源制得的样品标记为BiOCl－N。 1.3 BiOCl 样品的表征

1.3.1 结构分析

图1 BiOCl 粉体的XRD 谱图

图1 为氯氧铋样品的XRD 衍射谱图。从图1 中可以看出两种BiOCl 晶体的衍射峰与标准峰(PCPDF 卡片号:73－2060)可以非常好的吻合，所有的衍射峰依次对应于四方氟氯铅矿相BiOCl 晶体的(001)、(002)、(011)、(010)、(012)、(112)、(020)、(113)、(121)、(014)、(122)、(023)、(005)、(220)、(124)晶面。BiOCl－N(图1a)的衍射峰强且尖锐，表明晶体结晶性非常好;而BiOCl－C(图1b)的衍射峰的强度要弱一些，但峰形有明显地宽化现象，表明晶体的粒径较小;图1 中无明显杂质峰，表明所制得的BiOCl 粉体纯度较高。 1.3.2 形貌分析

图2 产品BiOCl 晶体的SEM 照片(a ～c:BiOCl－C;d:BiOCl－N)

图2 是BiOCl 晶体的SEM 照片。图2 中a ～c 是BiOCl－C的SEM 照片，从图2a 的低倍照片中可以看出，大量的分散性好的圆片状的颗粒，直径介于1 ～2 μm;从高倍SEM 照片图2b中很清晰地看到每一个大的纳米片是由许多小的纳米片组装而成的，每个小纳米片的直径大概在100 ～200 nm 之间;图2c 中可以看出圆片的厚度约为20 ～30 nm。图2d 是以NaCl 为氯源制得的BiOCl－N 的SEM 照片，显示为粒径介于1 ～2 μm 的完整的大个的微米片结构。 1.4 BiOCl 纳米片的可见光催化性能 1.4.1 光催化活性的测定

光催化实验以有机物亚甲基蓝(MB)溶液和罗丹明B(RhB)为模拟污染物，染料浓度10 mg/L，体积为100 mL，催化剂量为100 mg，光源为35 W 的LED 灯，降解时不断搅拌，并打开通风厨的通风设备以鼓入空气提供反应所需氧气。降解反应的过程是在暗吸附30 min 达吸附－脱附平衡后，光照每隔30 min中取样一次，经10000 rpm 的超速离心机离心后收集上层清液，测定吸光度。降解率R 计

算:R=［(A0－At)/A0］×100%，式中A0 和At 分别为样品的初始吸光度和降解后的吸光度。 1.4.2 光催化活性分析

图3 BiOC－C 可见光催化降解MB 和RhB 的光催化降解关系曲线

根据紫外分光光度计的不同时间的样品浓度进行检测，从图3a 和图3b 中可以看出BiOCl 纳米片对MB 和RhB 两种有机染料溶液的降解十分显著，随着光催化过程的进行，溶液的吸光度随着光照时间的延长而逐渐减弱，MB 溶液浓度在光照180 min 后降低到较低水平，然而BiOCl 纳米片对RhB 溶液的降解则更为显著，光照50 min 后就可以将其催化降解到较低水平，因此催化剂对RhB 具有具有更好的选择性。此外，从图3b中的RhB 的降解过程中，随着可见光照射的取样时间，RhB 溶液不仅仅吸光度逐渐减弱，而且吸收峰的峰位置也发生明显的红移。 图4 不同催化剂对MB 和RhB 的降解率示意图

图4 a 和图4b 是四种条件 (即:BiOCl－C、BiOCl－N、P25 和无催化剂四种情况)下降解MB 和RhB 的降解率示意图。通过对不同催化剂条件MB 和RhB 溶液的降解曲线来比较不同催化剂的降解效率，从图4a 中可以明显看出四种条件(即:BiOCl－C、BiOCl－N、P25 和无催化剂四种情况)下，光催化活性的大小趋势:BiOCl－C ＞BiOCl－N ＞P25 ＞无催化剂，BiOCl纳米片对MB 降解率达到了95.98%，具有非常好的催化效果。图4b 中显示的是不同催化条件下RhB 溶液的降解率曲线，可以看出其降解活性的次序与MB 相同，但在更短的时间内(50 min)对RhB 的降解率就达到了94.64%，因此BiOCl－C 对RhB 的催化效果更好。 2 结 论

本文通过超声波辅助液相化学技术成功地合成出了由许多小的纳米片组装而成的大的BiOCl 纳米片，合成的最佳条件为:物质的量之比为1∶2，超声时间为30 min，合成温度为60 ℃。合成的BiOCl 纳米片在可见光范围内具有优越的催化降解有机

污染物性能，光能利用率高，清洁环保。 参考文献

［1］ Yoo D H，Tran V C，Pham V H，et al.Enhanced Photocatalytic Activity of Graphene OxideDecorated on TiO2 Films under UV and Visible Irradiation［J］.Curr.Appl.Phys.，2011(11):805－808.

［2］ Fujishima.A，et al.Electronchemical photolysis of water at semiconductor electrode［J］.Nature，1972，37:238－2215.

［3］ Wang H L，Robinson J T，Li X L，et al.Solvot hermal reduction of chemically exfoliatedgraphene sheets［J］.J Am Chem Soc，2009，131(29):9910－9911.

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