2016届应用化学专业毕业论文—英文翻译

太阳光/紫外线作用下Bi4NbO8Cl分层级纳米结构

的光催化在染料降解上的运用

Bi4NbO8Cl的纳米结构由溶液燃烧反应制得。用扫描电子显微镜（SEM）分析可看到其形态为拨浪鼓状颗粒和纳米花瓣。纳米结构以及块状结构的Bi4NbO8Cl带隙测量的结果分别为3.4 eV和2.6 eV。在紫外光和太阳光作用下，光催化活性由Bi4NbO8Cl的纳米结构与块状结构的比较而得以体现。纳米Bi4NbO8Cl在紫外光作用下降解刚果红的速率要高于块状结构。然而，尽管有更宽的带隙，太阳光作用下该纳米结构表现出与块状结构类似的催化性能。实验证明，为达到硫化效果纳米Bi4NbO8Cl降解刚果红染料试剂中75.31％的有机碳需80 min。对光致发光谱的研究表明，制备出纳米Bi4NbO8Cl可降低电子-空穴对的复合率。捕获实验则表明，超氧化物是使刚果红降解的活性物质。太阳光下光催化性能和复合率降低的不同，可以归因于纳米结构形态的不同。Bi4NbO8Cl纳米分层结构拥有独特的拨浪鼓和纳米花瓣形状，为层状材料的设计提供了原料，甚至可产生新的高效光催化剂。

1 简介

光催化剂将获得越来越多的关注，因为他们可以通过获取大量有价值的阳光，并将其转换成可用的能量。半导体光催化是有希望的候选人，为环境污染提供了绿色和可持续的技术[1-3]。作为常规光催化剂的TiO2（3.2 eV），对太阳光的利用率仅仅达到5 %，研发其他半导体光催化剂变得非常重要[4]。因此，为了利用太阳光，我们已经开发了许多新型光催化材料。[5-8]经大量研究发现，Nb，Ta和p区元素例如Bi，Ga和In，都可以有效的获取可见光[9-11]。先前对铋基卤氧化物铁电特性进行了研究，最近，由于其独特的层状结构所具备的光催化活性，已引起很大的关注[9,12,13]。BiO（XX = Cl、Br、I）等层状材料在紫外光照射下降解的现象，与粉状P25降解甲基橙相

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景凡：环境友好型铋基材料的制备及其性能研究

比，表现出更好的光催化活性。

除了设计新型材料之外，研究还集中在光催化剂的形态和颗粒尺寸上。据有关文献报道，随半导体表面积的增加，其催化活性也会有所提升[14]。在形态学上，对高表面能进行适当调解可以促进光催化活性，因此，在所需材料方面的制作方法应该吸引更多的关注[15]。从这个角度看，分层的纳米结构被证实大大有助于提高光催化活性。纳米光催化剂不仅有助于增加表面积，而且还可以通过调整传导和价带，提供调整带隙的可能性。除此之外，分层组装的纳米材料表现出的分子密度的再分配，导致了电子性质发生显著的改变[16]。目前，很多报道描述铋卤氧化物[17]纳米合成材料，具有各种形状和形貌，如纳米花，纳米线和纳米带。然而，铋基在Silen-Aurivillius阶段形态调整电子结构获得光催化活性的改性设计却较少得到关注。最近的一份报道表明，Bi4TaO8Cl的纳米颗粒隶属于Sillen-Aurivillius类，太阳光下对有毒染料刚果红的降解比大部分同类物都要快[18]。曾报道，由固态技术合成的块状Bi4NbO8Cl在可见紫外光[19]下可降解甲基橙，但Pt/ Bi4NbO8Cl被指出比块状Bi4NbO8Cl表现出更多的活性。

在目前的工作中，我们合成Bi4NbO8Cl分级纳米结构，与块状 Bi4NbO8Cl对刚果红染料的降解进行对比，研究其表面形貌、带隙和光致发光特性对光催化性能的影响。在溶液中用燃烧合成法会更轻易的获得花瓣形状和较小的颗粒尺寸。研究块状和纳米Bi4NbO8Cl之间形貌特征的不同。较小尺寸的颗粒对于间隙率，Bi4NbO8Cl纳米结构上的带隙的影响，从光催化活性和光生电子-空穴对的再结合速率进行了研究。就我们所知，这是对燃烧合成纳米Bi4NbO8Cl紫外光/日光下其增强的光催化活性对刚果红染料的降解研究的首次报道。这项研究得出了有关形态影响的见解；材料的颗粒大小和层状材料的带隙所决定的光催化活性，将有助于制造高效，分层光催化纳米材料。

2 实验

2.1 制备方法

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纳米Bi4NbO8Cl由溶液燃烧技术合成。将一定量的NbCl5，Bi(NO3)3·5H2O和BiOCl在水里混合。尿素作为燃料和悬浮溶液加入混合物后，会在达到600 ℃时燃烧，再恒温煅烧6 h。将得到黄白色粉末。为便于比较，块状Bi4NbO8Cl也通过固态法合成。

2.2 材料表征

使用D2移相器Bruker X射线衍射仪进行相位鉴定。颗粒大小和形态则是通过卡尔·蔡司场发射扫描电子显微镜来确定。带隙是由珀金埃尔默拉姆达45漫反射分光光度计来测定。PerkinElmer LS55 分光光度计是利用光致发光进行测量。总有机碳（TOC）分析仪（耶拿分析仪器多N / C2100）用来定量测定染料的矿化程度。 2.2.1 光催化降解实验

在紫外线和太阳光下，通过纳米Bi4NbO8Cl的光催化活性来降解阴离子染料刚果红。自行建造一个用于紫外光照射下进行染料降解反应的光催化反应器。紫外光远采用高压泵灯（125 W），它的主要辐射波长为365 nm。当最大亮度和最小波动可利用时，采用太阳辐射，大多是上午11点到下午3点。

而刚果红被选为降解实验的样品染料，本实验细节将在别处展现。

3 结果和讨论

3.1 合成，X射线衍射和形态

纳米Bi4NbO8Cl的合成是首次采用溶液燃烧技术。众所周知溶液燃烧合成是一个自蔓延反应，利用燃料作为点火器。这里，尿素用作燃料，一旦被点燃，温度可达到高的值，得到所希望的相。图1为纳米和块状Bi4NbO8Cl的X射线衍射（XRD）图案。图1a中的加宽峰表明纳米 Bi4NbO8Cl的晶粒尺寸相比块状的更小。与ICSD卡中No.93487所匹配，并且额外的峰值对应的是28.5℃时的BiNbO4。

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图1 PXRD图谱 (a) 纳米Bi4NbO8Cl，(b) 块状Bi4NbO8Cl

图2描绘的是块状和纳米 Bi4NbO8Cl的形态。仔细观察SEM图像可看出，通过溶液燃烧方法合成的 Bi4NbO8Cl呈多孔纳米结构体（图2a-c），而块状呈现微结构（图2d）。纳米 Bi4NbO8Cl形成的相互连接的拨浪鼓状颗粒构成了多孔的三维网络（图2a和b）。此外，纳米 Bi4NbO8Cl表现出得分层纳米花瓣是从相互连接拨浪鼓状颗粒的演变。这些二维纳米的花瓣散落在拨浪鼓状颗粒之间的自组装里，随机产生多孔基质。分层纳米结构的形成可以由溶液燃烧合成进行说明。一旦反应是由燃料点火自动起动,温度急剧上升,达到一个最佳值。温度分布在整个反应体系的变化中，最终得到了分层形态的产品。在较低温度区域中的粒子形成的拨浪鼓形颗粒（图2a和b）。与此相反，火焰的前端的例子在单一方向上各向异性的增多，加大了比表面能导致形成纳米花瓣状的结构（图2c）。二氧化碳，氮气、水蒸汽等气体粒子之间的变化最终能提供多孔性的材料。所形成的纳米花瓣，其具有在特定方向上最大的曝光率，组装彼此以形成一个三维网络，得到分层纳米结构，以尽量减少表面能。

众所周知，因为纳米结构的形态、比表面积和较小的粒径，所以通常在提高光催化性能中起到至关重要的作用[20]。然而，纳米结构优于结晶块状化合物，是因为形成表面缺陷这一限制条件[21]。这些缺陷促进电子-空穴对的再结合，从而减少光催化活性。然而，纳米结构仍优选与块状颗粒是

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