铋酸盐纳米材料的制备、钒掺杂及其光催化特性

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铋酸盐纳米材料具有带隙窄、比表面积大、化学稳定性好、良好的光学性能的特点,在光催化处理有机污染物方面具有良好的应用前景。本文分别以十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为表面活性剂,通过水热过程制备出了铋酸镧纳米棒和铋酸钙纳米片,采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨TEM(HRTEM)、固体UV-vis漫反射光谱等技术分析了产物成分、结构、形貌、尺寸及光学性能,系统分析了制备参数对铋酸镧纳米棒、铋酸钙纳米片形成的影响。以钒酸钠作为钒源,通过水热法制备出了不同钒掺杂浓度的钒掺杂铋酸镧纳米棒、钒掺杂铋酸钙纳米片。系统研究了所得铋酸盐纳米材料光催化降解亚甲基橙(MO)和龙胆紫(GV)的光催化性能,分析了光照时间、铋酸盐纳米材料用量对其光催化性能的影响。以上研究为实现铋酸盐纳米材料的可控制备、钒掺杂以及基于铋酸盐纳米材料的光催化剂应用提供了必要的实验与理论基础,在污水处理应用方面具有重要的理论与实际研究意义。以铋酸钠、乙酸镧作原料,SDBS作为表面活性剂,通过水热过程制备出了铋酸镧纳米棒。铋酸镧纳米棒由斜方La1.08Bi0.92O3.03单晶结构构成,纳米棒的直径为20-100nm、长度大于10μm。SDBS浓度、水热温度和保温时间对铋酸镧纳米棒的形成起到了关键作用。5wt.%SDBS、180℃时、保温24 h是制备铋酸镧纳米棒的较优制备参数。固体UV-vis漫反射光谱分析表明铋酸镧纳米棒的带隙宽度为2.37 e V。光催化分析结果表明在太阳光照射下,随着光催化处理时间和铋酸镧纳米棒用量的增加,MO的降解率显著提高,铋酸镧纳米棒光催化降解MO的反应速率常数为0.568 h-1,铋酸镧纳米棒的用量超过10 mg,10 m L浓度为10 mg·L-1的MO溶液能够被完全降解。以铋酸钠、氯化钙作为原料,CTAB作为表面活性剂,通过水热过程制备出了铋酸钙纳米片。所得铋酸钙纳米片由单斜Ca Bi2O4晶相的单晶结构构成,整个纳米片的尺寸为10μm,纳米片的厚度为40 nm。CTAB浓度、水热温度和保温时间对铋酸钙纳米片的形成起到了关键作用。5wt.%CTAB、180℃时、保温24 h是制备铋酸钙纳米片较优的制备参数。固体UV-vis漫反射光谱分析表明铋酸钙纳米片的带隙宽度为2.21 e V。光催化分析结果表明在太阳光照射下,随着光催化处理时间和铋酸钙纳米片用量的增加,GV的降解率显著提高,铋酸钙纳米片光催化降解GV的反应速率常数为0.443 h-1,铋酸钙纳米片的用量超过10 mg,10 m L浓度为10 mg·L-1的GV溶液能够被完全降解。以钒酸钠作为钒源,铋酸钠、乙酸镧作为原料,通过水热过程制备出了钒掺杂量为1 wt.%、3 wt.%、5 wt.%和10 wt.%的钒掺杂铋酸镧纳米棒。XRD分析结果表明1wt.%钒掺杂铋酸镧纳米棒中的钒以三斜Bi23V4O44.5晶相的形式存在,钒含量超过3wt.%时,钒以三斜Bi23V4O44.5晶相和三斜Bi23V4O44.5晶相的形式存在。SEM分析表明钒掺杂铋酸镧的形貌与尺寸取决于钒掺杂质量比率,随着钒掺杂含量的增加,纳米棒的长度降低到了1μm以下,并有无规则颗粒生成。固体UV-vis漫反射光谱分析结果显示随着钒掺杂比率的增加,钒掺杂铋酸镧纳米棒的带隙宽度降低到了2.25 e V。光催化研究结果表明光照6 h后,MO可以被1 wt.%和3 wt.%钒掺杂铋酸镧纳米棒完全降解,采用5 wt.%和10 wt.%的钒掺杂铋酸镧纳米棒,经光照射5 h后,MO可以被完全降解。对于1 wt.%、3 wt.%、5 wt.%和10 wt.%钒掺杂的铋酸镧纳米棒,光催化降解MO的反应速率常数分别为0.543 h-1、0.573 h-1、0.653 h-1和0.738 h-1,10 wt.%钒掺杂铋酸镧纳米棒在去除MO方面具有最好的光催化性能。以钒酸钠作为钒源,铋酸钠、氯化钙作为原料,通过水热过程制备出了钒掺杂量为1 wt.%、3 wt.%、5 wt.%和10 wt.%的钒掺杂铋酸钙纳米片。XRD分析结果表明1wt.%和3 wt.%钒掺杂铋酸钙纳米片中的钒以三斜Bi3.5V1.2O8.25晶相的形式存在,钒含量超过5 wt.%时,钒以三斜Bi3.5V1.2O8.25晶相和单斜Ca0.17V2O5晶相的形式存在。SEM分析表明随着钒掺杂含量的增加,产物中有纳米颗粒形成,整个纳米片的尺寸增加到了大于10μm,纳米片的厚度增加到了70 nm。固体UV-vis漫反射光谱分析结果显示钒掺杂比率分别增加到5 wt.%和10 wt.%,其带隙宽度减少到了1.46 e V和1.05 e V。光催化研究结果表明对于5 wt.%和10 wt.%钒掺杂铋酸钙纳米片,光照时间分别达到5 h和4 h,GV可以被完全降解。1 wt.%、3 wt.%、5 wt.%和10 wt.%钒掺杂铋酸钙纳米片,光催化降解GV的反应速率常数分别为0.335 h-1、0.351 h-1、0.675 h-1和0.839 h-1,10 wt.%钒掺杂铋酸钙纳米片在降解GV方面具有最好的光催化性能。
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