Co-BiVO4異質(zhì)結(jié)光催化劑的制備及其性能

黃文迪，孫靜，申婷婷，王西奎

（1齊魯工業(yè)大學化學與制藥工程學院，山東 濟南 250353；2齊魯工業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院，山東 濟南250353）

Co-BiVO4異質(zhì)結(jié)光催化劑的制備及其性能

黃文迪1，孫靜2，申婷婷2，王西奎1

（1齊魯工業(yè)大學化學與制藥工程學院，山東 濟南 250353；2齊魯工業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院，山東 濟南250353）

采用一步水熱法合成具有高效光催化活性的Co-BiVO4納米復合材料。該材料通過Co氧化物包覆在釩酸鉍表面構(gòu)成p-n型異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。通過X射線衍射儀（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、高倍透射電鏡（HRTEM）、X射線光電子能譜（XPS）、紫外可見漫反射（UV-vis DRS）等對所制備的納米光催化劑進行形貌、結(jié)構(gòu)、組成及光電性能表征分析。發(fā)現(xiàn)Co是以氧化物的形式負載在BiVO4的表面，并且復合材料的可見光吸收帶發(fā)生了紅移。利用亞甲基藍（MB）作為目標污染物，以可見光作為光源考察不同材料的光催化性能。結(jié)果表明，Co-BiVO4復合光催化劑的催化活性明顯高于純BiVO4。當Bi和Co的復合比為2∶1時，Co-BiVO4的光催化活性最高，與純BiVO4相比光催化反應速率提高了4倍。本研究完善了鉍系異質(zhì)結(jié)和過渡金屬提高光催化活性的相關機理。

催化劑；鈷-釩酸鉍；異質(zhì)結(jié)；水熱；降解

染料廢水因其具有色度深、毒性大、COD濃度高且可生化性差等特性，成為常見的難處理污水之一。因此，對染料廢水的降解處理一直備受研究者的重視[1]。近年來，許多新興的高級氧化技術，如光催化技術等被用于染料廢水的處理。其中，可見光催化是人們最為關注的方法之一。釩酸鉍（BiVO4）因其在可見光響應方面表現(xiàn)卓越，已被證明是一種具有良好應用前景的可見光催化劑[2-4]。但是，BiVO4因受光生載流子效率的制約[5]，其光催化活性難以滿足需要。研究表明，通過在半導體材料表面構(gòu)建異質(zhì)結(jié)可以提高BiVO4的光電轉(zhuǎn)換能力[6]。這歸因于異質(zhì)結(jié)可以控制復合材料界面處光生電子的傳導方向，從而有效抑制電子-空穴對的復合[7]。很多研究者通過將過渡金屬負載在BiVO4上，提高了BiVO4的光催化活性。

例如，YUAN等[8]通過兩步法將Cu2O負載在BiVO4表面，形成異質(zhì)結(jié)，從而提高了BiVO4的降解能力。FU等[9]利用濕化學法和水熱法合成了ZnO/BiVO4納米復合材料，通過引入硅酸鹽橋使ZnO/BiVO4納米復合材料中光生電子和空穴得到有效的分離，從而提高了材料的光催化活性。ZHAO等[10]以十二胺為輔助劑，利用水熱法和浸漬法將Fe的氧化物負載在BiVO4表面，拓寬了BiVO4對可見光的吸收范圍，其光催化降解性能得到明顯提高。由此可見，過渡金屬對于BiVO4光催化性能的提升具有重要的應用潛力和價值。但是，目前構(gòu)建過渡金屬氧化物與BiVO4異質(zhì)結(jié)的步驟較為繁瑣，產(chǎn)率較低，而且對提高BiVO4光催化性能的機制研究還不明確。

過渡金屬鈷的氧化物（如CoO和Co3O4）均屬于磁性p型半導體，具有獨特的電子構(gòu)造，易與n型半導體材料接觸形成p-n異質(zhì)結(jié)，并在異質(zhì)結(jié)的界面處產(chǎn)生電勢差。該電勢差可以促使光生電子或空穴的有效分離，抑制空穴-電子對的復合。而且，鈷氧化物存在不同的化合價態(tài)，Co2+和Co3+的氧化還原循環(huán)過程可以捕獲光生電子，有效提高光生載流子的利用率。然而，目前對Co-BiVO4復合催化劑的構(gòu)建及其可見光光催化降解機制的系統(tǒng)研究還鮮有報道。

本文采用一步水熱法，制備了Co-BiVO4異質(zhì)結(jié)復合光催化材料，以亞甲基藍（MB）為目標降解物，驗證了Co-BiVO4的可見光降解性能。通過對MB降解動力學分析，較系統(tǒng)地闡述過渡金屬Co氧化物與BiVO4所構(gòu)成的氧化還原異質(zhì)結(jié)對電子-空穴分離的促進作用機理，以期為鉍系可見光催化劑的設計、制備及其光催化機理的深入研究提供參考。

1 實驗部分

1.1 主要試劑與儀器

五水硝酸鉍[Bi(NO3)3·5H2O]，天津市大茂化學試劑廠；偏釩酸銨(NH4VO3)；氨水、濃硝酸、無水乙醇、硝酸鈷(Co(NO3)2·6H2O)，國藥集團化學試劑有限公司；亞甲基藍(MB)，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。以上試劑均為分析純試劑，實驗用水為超純水。

PLS-SXE300/300UV型光化學反應儀，北京泊菲萊有限公司；可見分光光度計UV759S，上海精密科學儀器有限公司；X射線衍射（XRD），D8-Advance，AXS，Germany；X640型掃描電子顯微鏡，Hitach，Japan；高倍透射電子顯微鏡（HRTEM），JEM-2100F，JEOL，Japan；X射線光電子能譜（XPS），Axis UltraDLD，Kratos，Japan；紫外-可見分光光度計（DRS），U-3900H，Hitachi，Japan、pH計，雷磁PHS-3C。

1.2 Co-BiVO4復合光催化劑的制備

準確稱取1.0mmol的Bi(NO3)3·5H2O溶解在40mL 2.0mol/L的硝酸溶液中，攪拌至完全溶解。稱取1.0mmol的Co(NO3)2·6H2O加入硝酸鉍[Bi(NO3)3]溶液中。隨后向混合液中加入2mmol NH4VO3，攪拌30min，在室溫下得到穩(wěn)定的混合懸濁液。用氨水將溶液pH調(diào)至7.0，并在室溫下攪拌2h。隨后，將得到的混合溶液轉(zhuǎn)移至100mL襯底為聚四氟乙烯的水熱反應釜中，220℃恒溫24h。待反應溶液冷卻后，離心分離并用乙醇和高純水清洗多次去除雜質(zhì)，冷凍干燥制得固體粉末。

為了研究不同復合比例對產(chǎn)物光催化性能的影響，在相同制備條件下制得了Co∶BiVO4（摩爾比）分別為1∶5、1∶2、1∶1、3∶1的復合光催化劑。

1.3 光催化實驗

將0.15g所制備的光催化劑加入到150mL濃度為10mg/L的MB溶液中，超聲處理3min。為了保證在光催化降解實驗之前保持吸附-解吸平衡，將溶液在黑暗條件下攪拌30min。隨后將樣品放置于300W的氙燈下（濾光片濾除λ＞420nm紫外光）進行光催化降解。在光催化過程中，每隔15min抽取3mL樣品，用0.45μm的水相濾頭過濾。采用紫外可見分光光度計測量664nm處的吸光度值，通過標準曲線確定MB濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 晶型分析

為了分析材料的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，對BiVO4體系進行了晶型分析。BiVO4具有3種晶相，分別為四方錐石型、單斜白鎢礦型和單斜四方型，但只有單斜白鎢礦型具有較高的可見光催化活性[11]。圖1為純BiVO4和不同復合比例的Co-BiVO4光催化劑的XRD譜圖。如圖1所示，純BiVO4的所有衍射峰與單斜白鎢礦型BiVO4的標準卡片（JCPDS card no.14-0688）完全吻合。同時，與Co復合后，BiVO4的特征峰并沒有發(fā)生改變，說明Co-BiVO4光催化劑中BiVO4的晶型仍然是單斜白鎢礦型。只是在27.5°、29.8°、31.8°、32.3°等處產(chǎn)生幾個小的衍射峰，這些衍射峰屬于鈷氧化物的衍射峰，而且其強度隨著鈷離子的復合量的增加而增強[12]。此外，圖1還表明純BiVO4（1 2 1）晶面的衍射峰峰值比（0 4 0）晶面高一些，但是隨著Co的引入，（0 4 0）晶面的衍射峰升高，當Bi∶Co升高到1∶3時，（0 4 0）晶面的衍射峰明顯高于（1 2 1）晶面。這可能是由于Co的引入使BiVO4表面產(chǎn)生了一定的物理化學作用，使得BiVO4的(0 4 0）晶面得到了充分的暴露[13]。

圖1 純BiVO4及不同復合比例的Co-BiVO4的XRD譜圖

2.2 形貌表征

為了進一步確定復合材料中Co跟BiVO4的結(jié)合方式，對樣品進行了形貌分析。圖2為純BiVO4和Co-BiVO4復合光催化劑的SEM圖。從圖中可以看出，負載前后BiVO4的形貌和顆粒尺寸相似，都呈現(xiàn)出不規(guī)則的多面體顆粒狀，粒徑在200～400nm。一些小于100nm的小顆粒分布在BiVO4顆粒的表面上。這些小顆粒說明Co跟BiVO4復合后形成了Co氧化物并在界面處形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)[14]。

圖2 光催化材料的SEM圖片

為了進一步確定BiVO4表面納米顆粒的性質(zhì)及其異質(zhì)結(jié)的形成情況，利用高分辨透射電鏡（HRTEM）觀察了Co-BiVO4納米復合催化劑的圖像以及選區(qū)電子衍射圖，如圖3所示。從圖3(a)TEM圖像中，可以看出，Co氧化物納米顆粒均勻地負載在BiVO4上，與SEM圖像吻合，其粒徑大小為20～40nm。圖3(b)可以清晰地看到樣品存在不同的晶格條紋，這進一步說明有其他物相存在于BiVO4的表面。通過選區(qū)電子衍射光斑計算晶格條紋可知，BiVO4的晶格間距為d=3.12nm，對應于單斜BiVO4的（–1 3 0）晶格面的間距，說明所制備的BiVO4為單斜白鎢礦型，與XRD譜圖相吻合。SEM與TEM表征結(jié)果說明，Co納米顆粒均勻負載在BiVO4表面，形成了異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。

2.3 化學態(tài)分析

圖3 Co-BiVO4 納米復合光催化材料的TEM圖

為了進一步確定Co-BiVO4復合光催化劑的元素組成和成鍵情況，利用XPS能譜分析對樣品進行了表征，如圖4所示。圖4(a)為Bi元素的能譜圖，其中在結(jié)合能為158.97eV和164.22eV處的譜峰分別對應于Bi 4f7/2能級和Bi 4f5/2能級。這些特征峰與單斜晶系BiVO4中的Bi3+峰相一致[15]。圖4(b)為O1s的譜圖，結(jié)合能在530.02eV和531.72eV位置的譜峰分別對應于O2–和O—H鍵[16]。圖4(c)中的雙峰位于516.67eV和524.32eV處，分別歸屬于V 2p3/2和V 2p1/2。在單斜白鎢礦型BiVO4中，這兩個特征峰與晶格中的V5+陽離子相關[17]。圖4(d)是Co元素的XPS譜圖，可以看出在Co-BiVO4中存在795.1eV和785.0eV兩個譜峰，他們分別對應于Co2+的Co 2p3/2與Co 2p1/2自旋軌道分裂光電子[18]，因此，可以說明催化劑中的Co是以氧化物的形式存在。而且，本實驗所制備的Co-BiVO4中，Co離子的結(jié)合能要比文獻報道中鈷氧化物的結(jié)合能略低[19]。由此可以推斷，BiVO4和其表面的Co氧化物形成異質(zhì)結(jié)后在其界面處，一部分Co—O鍵轉(zhuǎn)變成為Co—O—Bi鍵，這使得Co的結(jié)合能有所下降。這也進一步說明了Co氧化物與BiVO4的有效結(jié)合。

2.4 UV-vis DRS漫反射分析

圖4 Co-BiVO4復合光催化劑的XPS譜圖

對可見光的吸收能力是決定光催化材料催化性能的重要因素，因此對純BiVO4和Co-BiVO4復合催化劑進行了UV—Vis DRS漫反射表征。如圖5所示，所有樣品在可見光范圍內(nèi)均有吸收。特別是在與鈷復合之后，Co—BiVO4樣品的吸收邊發(fā)生了紅移現(xiàn)象，與純BiVO4相比，其在可見光范圍內(nèi)的吸收強度均明顯增強。在各樣品中，Co-BiVO4(nBi∶nCo=2∶1)在可見光范圍內(nèi)的吸收強度最高。另外，根據(jù)Kubelka-Munk方法，利用公式(1)可計算得到BiVO4和Co-BiVO4的帶隙能[20]。

圖5 純BiVO4和不同復合比例的Co-BiVO4復合材料的DRS光譜圖

式中，α，h，ν，Eg和A分別為吸收系數(shù)、以eV為單位的普朗克（Planck）常數(shù)、光頻率、帶隙寬度和樣品在吸收邊處的吸光系數(shù)。同時，由于BiVO4屬于直接半導體，因此n取值為l。將各參數(shù)代入式(1)，計算得到純BiVO4和Co-BiVO4的帶隙能分別為2.40eV和2.25eV。說明經(jīng)過包覆后Co-BiVO4復合光催化劑的帶隙能降低，電子更易于激發(fā)產(chǎn)生光生載流子。

2.5 光催化性能

為了驗證不同材料的光催化性能，本研究以亞甲基藍（MB）為目標污染物，考察了所制備的BiVO4及Co-BiVO4復合光催化劑在可見光下的催化降解性能，結(jié)果如圖6所示。

如圖6(a)所示，經(jīng)過可見光照射75min之后，純BiVO4和Co-BiVO4復合光催化劑（nBi∶nCo=5∶1、2∶1、1∶1、1∶3）對MB的降解率分別為49.0%、91.2%、80.6%、64.5%。在可見光下，純BiVO4的催化活性較低，當BiVO4表面包覆Co后，其可見光催化性能得到明顯提高。特別是當nBi∶nCo=2∶1時，MB的去除率達到了91.2%，其催化效果最佳。MB的光催化降解過程遵循一級反應動力學過程。其降解濃度變化曲線可以通過一級動力學方程進行擬合[圖6(b)]，并呈現(xiàn)良好的線性關系。當復合比例為2∶1時，反應速率常數(shù)為3.016×10–2min–1，約為純BiVO4反應速率常數(shù)的4倍（0.8×10–2min–1）。體系的光催化活性得到明顯的提高，同時說明復合體系光催化活性提高是由于Co氧化物的加入而導致的。但是隨著Co復合比例的進一步提高，Co-BiVO4復合催化劑在可見光內(nèi)的催化活性又有所降低。其原因可能是Co與BiVO4的復合形成了p-n型異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，可以促進光生電子-空穴的傳導，提高了光生載流子的遷移速率。但是隨著Co的包覆量進一步增大，過多的Co氧化物負載在BiVO4表面會影響到BiVO4的光吸收率，其接收光電子能量的能力受到抑制，從而影響光催化活性。一般來講，催化劑的吸附性能越強，其所對應的表面活性位點越多，越有利于光催化反應的進行。但是從圖6可知，催化劑吸附能力大的光催化效果并不是最好的，這說明催化劑比表面積的差異并不是影響材料光催化活性的主要影響因素。

圖6 可見光下純BiVO4和Co-BiVO4復合光催化劑對MB的降解

2.6 光催化機理討論

以上數(shù)據(jù)表明，在BiVO4的表面成功負載了鈷的氧化物，并且其光催化活性明顯得到提高。為了探究Co-BiVO4異質(zhì)結(jié)提高體系光催化活性的機制，需要考察復合光催化體系光生載流子的遷移速率，本研究通過體系的光電流響應來表征[21]。圖7為純BiVO4和Co-BiVO4復合光催化劑（nBi∶nCo=2∶1）在可見光下的光電流跟暗電流的循環(huán)曲線。如圖所示，與純BiVO4相比，復合光催化體系的光電流響應信號有明顯增強。這說明表面負載Co氧化物后，由于異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的存在，Co-BiVO4體系的光生載流子遷移速率有顯著提高。

圖7 BiVO4和Co-BiVO4的光電流響應

綜上所述，Co-BiVO4光催化體系優(yōu)異的光催化活性歸因于Co氧化物負載在BiVO4表面，形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。其光催化機理圖如8所示，在可見光照射下，受激發(fā)的電子從BiVO4的價帶（VB）躍遷到導帶（CB），從而產(chǎn)生價帶的空穴（h+）和導帶的電子（e–）對。由于BiVO4的價帶能高于E(·OH/H2O)，因此h+可直接將吸附在催化劑表面的水氧化成羥基自由基（·OH）。同時，由于BiVO4表面存在Co氧化物，其本身也可發(fā)生氧化還原反應，將e–捕獲。當e–被Co3+捕獲后，Co3+被還原為Co2+。由于Co2+不穩(wěn)定而失去e–，e–又將催化劑表面的O2還原為超氧負離子（·O2?）。這樣Co2+又被氧化為Co3+，并循環(huán)下去。因此，Co-BiVO4體系的光生電子-空穴對得到有效分離，光催化反應速率明顯提高。

圖8 Co-BiVO4異質(zhì)結(jié)光催化劑的光催化機理示意圖

3 結(jié)論

本文利用一步水熱法成功制備了Co-BiVO4異質(zhì)結(jié)復合光催化劑。其中，所制備的BiVO4為單斜相型，Co氧化物以表面負載的形式與BiVO4構(gòu)成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。在可見光下，Co-BiVO4復合光催化劑降解MB的效率明顯高于純BiVO4。當nBi∶nCo=2∶1時，復合催化劑的光催化活性最高。與純BiVO4相比，其光催化活性提高近4倍。研究結(jié)果表明，Co氧化物和BiVO4形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，使其在界面間的電子耦合作用更加強烈，使得BiVO4受到激發(fā)后產(chǎn)生的電子能夠迅速遷移到Co氧化物上，從而保持了光生載流子的高反應活性。

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Preparation and properties of Co-doped BiVO4heterojunction photocatalysts fabricated by hydrothermal method

HUANG Wendi1，SUN Jing2，SHEN Tingting2，WANG Xikui1
（1College of Chemical and Pharmaceutical Engineering，Qilu University of Technology，Jinan 250353，Shandong,China；2College of Environmental Science and Engineering，Qilu University of Technology，Jinan 250353，Shandong,China）

A unique Co-BiVO4photocatalyst with heterostructure was synthesizedviaa simple one-step hydrothermal method. The material forms a p-n-type heterojunction structure by coating cobalt oxide on the surface of BiVO4. The morphology, structure, composition and optical property of the as-prepared nanocomposites were characterized by XRD, SEM, HRTEM, XPS, and UV-vis DRS.Characterization analysis showed that cobalt loaded on the surface of BiVO4as oxide and the catalyst showed a significant red-shift in the absorption band in the visible region. The photocatalytic activities of the samples were examined by studying the degradation of methylene blue (MB) under visible-light irradiation. The results showed that the photocatalytic activity of Co-BiVO4was increased by 4 times,compared with pure BiVO4under visible light irradiation. The best photocatalytic activity was achieved when the molar ratio of Bi∶Co was 1∶2. The improving mechanisms of bismuth heterojunction and transition metal were further elucidating in the work.

catalyst；Co-BiVO4；heterojunction；hydrothermal；degradation

O643.36

A

1000–6613（2017）11–4080–07

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0407

2017-03-14；修改稿日期2017-06-11。

國家自然科學基金項目（21507067）。

黃文迪（1988—），男，碩士研究生，研究方向為環(huán)境污染物控制化學與工藝。E-mail：hwdcom@163.com。聯(lián)系人王西奎，教授，從事環(huán)境污染控制化學研究及環(huán)境材料的制備與評價。E-mail：xk_wang@qlu.edu.cn。