微波水热制备钒酸铋粉体工艺及光催化性能研究

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BiVO4作为一种无铅染料被人熟知,随着研究的深入,发现其在可见光光催化领域具有极大的潜力。BiVO4具有三种晶型,分别为四方锆石型、四方白钨矿型和单斜白钨矿型,前两者在特定情况下晶型可以转变为后者。其中单斜白钨矿型具有更好的光催化性能。   本文采用微波水热法,在相对较低的温度下快速制备了BiVO4粉体,并通过X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对所制备粉体的物相及形貌进行表征。采用紫外可见近红外光谱仪(UV-VIS-NIR)和光催化性能测试对产物的光学性能和光催化性能进行了表征。系统研究了微波水热反应时间、反应温度、前驱液pH、反应物浓度及反应物Bi/V摩尔比对所制备BiVO4粉体结构和性能的影响。   以NH4VO3和Bi(NO3)3·5H2O为原料在较短微波水热时间内制备了四方锆石型BiVO4,随着反应时间的延长,产物逐渐向单斜相转变,并且单斜相的衍射峰强度逐渐增强。反应时间对产物的形貌也有较大的影响,产物的形貌由片状转化成球状。另外,我们对球状形貌的形成机理进行了简单分析。   前驱液pH值对于产物形貌和晶体生长有明显的影响。随着pH值从0.1变化到10.0,产物(040)晶面的相对强度呈现出先增大后减小的趋势,在pH等于6.0时达到最大,产物的禁带宽度和光催化性的变化规律与(040)晶面的相对强度变化规律一致。   以Bi(NO3)3·5H2O和NH4VO3为原料在100℃的微波水热温度下就能合成纯的单斜相BiVO4,随着反应温度的提升,产物衍射峰强度逐渐增强,结晶性能变好,并且产物尺寸也随着增大。反应温度的增加可以减小产物的禁带宽度,有利于提高产物光催化性。   通过改变反应物浓度可以可控合成纯的单斜相和四方锆石相、以及二者的混晶相,随着反应物浓度的增加,产物的结晶性变好,形貌尺寸逐渐增加,光催化性能随之增加,当浓度过大时,产物成为纯的四方锆石相产物,此时光催化性能变差。   通过改变Bi/V摩尔比可以改变产物形貌,当Bi/V大于1∶1时,产物结晶性不好,光催化性差,当Bi/V摩尔比从1∶1变化至1∶4时,产物从棒状向球状转变,光催化有效面积减小,光催化性能降低。   在相同的工艺条件下,可以加入不同的模板剂改变产物形貌,进而改变产物的性能:加入CTAB(十二烷基三甲基溴化铵)可使产物形貌从原本的片状变为球状,并且随着CTAB加入量的增多,球状形貌产物尺寸增大。球状形貌降低了产物光催化反应的有效面积,使得光催化性能降低;加入柠檬酸使得产物颗粒尺寸减小,结晶性能变差,小尺寸颗粒团聚使得光催化性能变差;加入SDSN(十二烷基磺酸钠)可制备出纺锤状产物,并且部分纺锤状组装成类花状的形貌,SDSN的加入使得产物禁带宽度变小,但光催化性能却有所降低;PVP-K30(聚乙烯吡咯烷酮)有效的提高了产物分散性,从而提高了产物的光催化率。
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