Bi₂WO₆納米材料的控制合成

孫華章 李鑫

【摘要】作為一種優(yōu)良的新型光催化劑，Bi2WO6在太陽能轉(zhuǎn)換及環(huán)境污染治理方面都表現(xiàn)出優(yōu)異的可見光催化活性，近年來引起人們的廣泛關(guān)注。本文以硝酸鉍和鎢酸鈉為原料，采用水熱法，通過添加不同的表面活性劑（CTAB、SDBS、PVP）控制合成了不同形貌和結(jié)構(gòu)的Bi2WO6納米光催化劑，并研究了其在可見光下對亞甲基藍(lán)的降解行為。

【關(guān)鍵詞】水熱法? ?表面活性? ?Bi2WO6? ? 光催化

【中圖分類號】G632.4

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】1992-7711（2020）20-079-01

Bi2WO6是最簡單的Aurivillius型氧化物，含有（Bi2O2）2+層及WO6鈣鈦礦片層的層狀結(jié)構(gòu)，具有介電、發(fā)光、離子導(dǎo)體以及催化等性能[4-7]。其禁帶寬度為2.69eV，最大吸收峰λmax約在506nm，處于可見光波長范圍，能有效的吸收太陽光進(jìn)行光催化反應(yīng)。李春梅首次利用熔融鹽體系合成具有介孔結(jié)構(gòu)的單晶Bi2WO6，并討論了這種結(jié)構(gòu)對于其物理性質(zhì)的影響[3]。劉曉娜合成了 In2O3/Bi2WO6 異質(zhì)結(jié)構(gòu)微米帶，α-Fe2O3/Bi2WO6納米管CeO2/Bi2WO6納米纖維發(fā)現(xiàn)這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)也具有良好的光催化性能[8-10]。在宋東東的綜述中從界面修飾、能級調(diào)控、晶格結(jié)構(gòu)的改變與量子尺寸效應(yīng)四方面，對 Bi2WO6光催化劑的性能調(diào)控研究[5]。張宇航利用水熱反應(yīng)合成Bi2WO6納米花狀球，并研究了不同pH對其晶形、形貌、孔徑分布光學(xué)性質(zhì)及催化性能的影響[11]。因此，Bi2WO6光催化材料的研究將為光催化去除和降解有機(jī)污染物開辟了一條新的途徑，在環(huán)境凈化和新能源開發(fā)方面具有非常重要的實(shí)用價(jià)值[12-15]。

本文通過簡單的水熱方法，采用不同的表面活性劑來控制合成了不同形貌的Bi2WO6，并對其在可見光下的催化活性進(jìn)行研究。

1.不同形貌的Bi2WO6納米材料的制備

將0.001mol Na2WO4·2H2O和0.002 mol Bi（NO3）3·5H2O分別加入到10mL去離子水中，磁力攪拌并超聲，將Na2WO4溶液加入到Bi（NO3）3溶液中。將前驅(qū)物轉(zhuǎn)移到容量為50mL的聚四氟乙烯反應(yīng)釜內(nèi)。將密封好的反應(yīng)釜置于已預(yù)熱好的鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，保溫16h后取出自然冷卻到室溫。用抽濾的方法將得到的產(chǎn)物收集起來，并用去離子水清洗數(shù)次，在80℃烘干。水熱溫度為160℃，表面活性劑分別為CTAB、SDBS、PVP，樣品分別標(biāo)記為T1，T2和T3。

2.結(jié)構(gòu)與形貌

圖2-1為兩種表面活性劑制下得樣品的XRD圖譜，有圖可以看出，XRD圖譜中位于28.47°，33.09°，47.28°，56.74°，58.74°，76.16°，78.61°處出現(xiàn)衍射峰，所有的衍射峰都可以在正交晶系Bi2WO6的標(biāo)準(zhǔn)譜找到對應(yīng)的角度。在標(biāo)準(zhǔn)圖譜中（020）/（200）衍射峰（33.09°位置）與（113）衍射峰（28.47°位置）強(qiáng)度的比值約為0.185，而我們的樣品測試結(jié)果高于標(biāo)準(zhǔn)圖譜的比值。這表明制備的Bi2WO6沿著（020）/（200）方向的生長明顯優(yōu)于一般塊狀Bi2WO6粉體。

樣品T1-添加CTAB（a-d）表面活性劑制備的Bi2WO6樣品SEM照片如圖2-2示。通過照片可以樣品尺寸、形貌單一，均是球形花狀微納米顆粒，直徑大約為3μm（圖2-2a），樣品不是以單個(gè)晶體的形式存在，而是二次結(jié)晶的花瓣形聚合體存在;圖2-2b為單個(gè)球形花狀聚集體的SEM照片，可以看出聚集體是由很多二維的片層緊密的排在一起形成的多層結(jié)構(gòu)。這種花狀結(jié)構(gòu)的形成與樣品的生長過程有關(guān)，在后文中將進(jìn)一步討論。在圖2-2c和d中，我們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)每一層片的邊長大約為65nm，厚度非常薄，約為10nm。值得提出的是，這種分級球狀結(jié)構(gòu)在溶液中經(jīng)長時(shí)間超聲也保持結(jié)構(gòu)的完整性，不會遭到破壞變成分散的納米片。

3.花狀Bi2WO6生長機(jī)理探討

結(jié)合晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分分析，這種復(fù)雜的Bi2WO6的形成過程可以由圖2-5所示。在花狀Bi2WO6生長的最初階段是形成微小的方形納米片，然后這些方形納米片取向排列采用邊一邊結(jié)合的方式形成較大的二維納米片，在CTAB的作用下，這些二維納米片按照一定的方式排列形成三維的微米花。初級Bi2WO6方形納米片的形成是一個(gè)典型的奧斯特瓦爾德成熟過程。

4.結(jié)論

通過低溫水熱反應(yīng)成功合成了不同形貌的Bi2WO6納米材料。研究發(fā)現(xiàn)，通過控制實(shí)驗(yàn)條件可以得到不同形貌的Bi2WO6納米材料，由于表面活性劑在各個(gè)晶面的吸附不同，可以得到方形納米片，花狀納米結(jié)構(gòu)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]宋東東，高彥華，李文旭，夏明，李強(qiáng)，劉繼東; Bi2WO6光催化機(jī)理分析與性能優(yōu)化的研究進(jìn)展;化工科技，2017.

[2]董武晶，仝攀瑞，高占堯，鎢酸鉍光催化劑的研究進(jìn)展，2017，44（17），94-96.

[3]張宇航，鄒學(xué)軍，楊寶靈，董玉瑛，郭宇飛，不同 pH 值條件合成納米 Bi2WO6及其可見光下活性研究，水資源與水工程學(xué)報(bào)，2017，28，5.