氮掺杂Bi2O3光催化剂的制备及其可见光催化性能
卢远刚, 杨迎春, 叶芝祥, 刘盛余
成都信息工程学院 资源环境学院, 大气环境模拟与污染控制四川省高校重点实验室, 成都 610225
杨迎春, 教授. E-mail:yangyingchun@cuit.edu.cn

卢远刚(1985-), 男, 硕士研究生. E-mail:luyuan0920@126.com

摘要

以硝酸铋和六次甲基四胺为原料, 采用沉淀法合成了不同氮掺杂量的Bi2O3(N-Bi2O3)粉体, 并采用XRD、FT-IR、XPS、UV-Vis、PL手段对其晶相结构和光谱特征等进行了表征. 研究结果表明, 未掺杂Bi2O3为单斜相α-Bi2O3, 氮掺杂Bi2O3则为四方相β-Bi2O3和Bi5O7NO3组成的混晶, 氮原子替代了Bi2O3晶格中部分氧原子, 形成了Bi-N键而稳定存在. 氮掺杂能促进β-Bi2O3的生成. 与未掺杂Bi2O3粉体相比, 氮掺杂样品的吸收带边发生了明显红移, 荧光强度明显减弱. 甲基橙在可见光下的降解实验表明, 氮掺杂Bi2O3具有良好的可见光催化活性.

关键词: Bi2O3; 氮掺杂; 可见光; 光催化; 甲基橙
中图分类号:O643   文献标志码:A    文章编号:1000-324X(2012)06-0643-06
Preparation and Visible Light Responsive Photocatalytic Activity of Nitrogen-doped Bi2O3 Photocatalyst
LU Yuan-Gang, YANG Ying-Chun, YE Zhi-Xiang, LIU Sheng-Yu
Department of Resources and Environment, Air Environmental Modeling and Pollution Controlling Key Laboratory of Sichuan Higher Education Institutes, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China
Abstract

Bi2O3 photocatalysts doped with different amounts of nitrogen were synthesized by a precipitation method using bismuth nitrate and hexamethylenetetramine as precursors. The as-synthesized samples were characterized and analyzed by XRD, FT-IR, XPS, UV-Vis and PL. The results indicate that the undoped Bi2O3displays a single monoclinic phase. While the N-doped Bi2O3 samples are mixed crystals, which were composed of tetragonal β-Bi2O3 and Bi5O7NO3 phases. The oxygen in the lattice of Bi2O3is partially substituted by nitrogen atom, existed stably in the form of Bi-N bond. Meanwhile, nitrogen dopant promotes the formation of β-Bi2O3phase. Compared with undoped Bi2O3, the light absorption property of N-doped Bi2O3 has apparently extended into visible light region and the fluorescence intensity decreases evidently. Furthermore, the photodegradation performance of methyl orange shows that N-doped Bi2O3 samples have excellent visible light photocatalytic activity.

Keyword: Bi2O3; nitrogen-doped; visible light; photocatalysis; methyl orange

以半导体氧化物通过光催化反应去除环境污染物是近年的研究热点之一, 目前研究较多的TiO2光催化剂, 由于其禁带宽度( Eg=3.2 eV)较宽, 只能吸收太阳光中的紫外光部分[ 1], 限制了其广泛的应用. 为了拓展TiO2对太阳光中可见光的吸收利用, 有关研究工作者对其进行了大量的改性研究, 如表面光敏化[ 2]、半导体复合[ 3, 4]、金属离子掺杂[ 5, 6]、非金属掺杂[ 7, 8]等, 其中又以金属离子和非金属掺杂研究得最多, 并且取得了一定的效果. 但是改性后的TiO2光催化剂的可见光活性仍不能令人满意, 并且其稳定性也较差, 限制了其实用性. 因此, 开发新型的可见光活性催化剂将是光催化研究领域的发展趋势.

半导体Bi2O3主要以α、β、γ和δ 四种晶型存在, β-Bi2O3能带隙为2.58 eV, α-Bi2O3能带隙为2.85 eV, 可吸收波长大于400 nm的可见光[ 9], 是一种具有潜在应用价值的可见光催化材料. 为了进一步提高Bi2O3对可见光的吸收利用, 对其进行掺杂改性是有效的途径. 已有报道对Bi2O3进行金属掺杂改 性[ 10, 11], 以及与其他半导体氧化物复合[ 12, 13, 14], 其光催化活性均有不同程度的提高. 然而研究证实, 金属离子掺杂的热稳定性较差, 并易成为载流子的复合中心, 对可见光催化活性的提高尚不能达到满意的程度. 而非金属离子掺杂, 则可能替代金属氧化物的部分晶格氧, 形成化学键而稳定存在, 从而减小氧化物的禁带宽度, 将其光吸收波长拓展到可见光区[ 15]. 但是目前很少有对Bi2O3进行非金属掺杂改性方面的研究报道.

本工作以开发具有可见光催化活性的Bi2O3为目的, 以硝酸铋和六次甲基四胺为原料, 通过沉淀法制备出氮掺杂Bi2O3催化剂, 并利用多种表征手段对其晶相结构和光谱特征等进行研究.

1 实验
1.1 氮掺杂Bi2O3的制备

以硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O)为铋源, 六次甲基四胺(C6H12N4)为氮源, 采用沉淀法制备N掺杂Bi2O3, 实验用化学试剂均为分析纯, 去离子水为实验室自制. 氮掺杂Bi2O3的具体制备步骤如下: 取硝酸铋9.7 g, 溶于10 mL无水乙醇中, 恒温磁力搅拌得到溶液A. 将一定量的六次甲基四胺(控制氮与铋的摩尔比分别为0.5、1.0和2.0, 用N/Bi=0.5、1.0和2.0表示)溶于10 mL 2 mol/L NaOH得到溶液B. 接着将溶液B缓慢滴加入溶液A中, 滴加完后继续搅拌直至反应完全. 将得到的沉淀物用去离子水洗涤数次后陈化24 h, 然后于80℃烘干, 得到N掺杂Bi2O3前驱体, 再将此前驱体粉末置于马弗炉中以5 ℃/min的速度升至470℃保温2 h, 自然冷却至室温后取出, 经研磨即得到N掺杂Bi2O3光催化剂. 作为对比, 未掺杂Bi2O3用同样的方法不加六次甲基四胺制得, 煅烧温度为500℃.

1.2 催化剂的表征

采用丹东方圆DX-1000型X射线衍射仪测定Bi2O3的晶型, Cu靶X射线源, λ=0.1540558 nm, 管电压35 kV, 管电流25 mA, 扫描范围20°~60°. 红外光谱(FT-IR)用岛津IRprestige-21型傅里叶红外光谱仪测定, 光谱纯KBr压片, 以空白KBr为背景. XPS分析采用英国Kratos公司XSAM-800型光电子能谱仪, Al为阳极靶. 紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)在岛津UV-2550型紫外-可见分光光度计上测定, 以标准BaSO4做参比. 光致发光(PL)光谱在岛津RF-5301 pc型分子荧光仪上测定, 光源为150 W氙灯, 实际激发波长通过滤光片获得.

1.3 可见光催化活性评价

采用功率为150 W, 波长为400~700 nm的卤钨灯作为可见光光源, 以甲基橙作为目标降解物, 实验在夹套圆柱形玻璃反应器中进行, 光反应过程中在夹套玻璃中通入冷凝水, 以使反应液的温度保持衡定. 光催化实验步骤如下: 将100 mL 20 mg/L的甲基橙溶液置于反应器中, 加入0.1 g催化剂样品, 磁力搅拌构成悬浮体系, 避光搅拌30 min后开启光源, 反应每隔一定时间取样, 离心后取上层清液, 采用UV-2550型紫外-可见分光光度计, 在波长465 nm处测定甲基橙溶液吸光度随时间的变化, 并绘制吸光度 A t/ A0( t时刻吸光度/初始吸光度)—时间 t (min)曲线, 用于反映催化剂在可见光下的光催化活性.

2 实验结果与讨论
2.1 XRD分析

图1为未掺杂和N掺杂Bi2O3的XRD结果, 由图可知, 各样品的主要特征衍射峰比较尖锐, 说明样品的结晶性能良好. 未掺杂Bi2O3为单斜相(α-Bi2O3), 其衍射峰与标准粉末衍射卡PDF No.65-2366(晶胞参数 a=0.58400 nm, b=0.81600 nm, c=0.74900 nm, β=67.07°)吻合. 所有N掺杂Bi2O3样品的衍射峰基本一致, 经与标准卡片比对, 表明是由四方相β-Bi2O3(PDF 65-1209, a=0.774250 nm, c=0.563130 nm)和Bi5O7NO3(PDF 51-0525, a=0.855 nm, b=2.338 nm, c=0.554 nm)组成的混晶. 对比未掺杂和N掺杂样品的XRD图谱可以看出, N掺杂Bi2O3样品均没有出现单斜相α-Bi2O3的特征衍射峰, 这表明N掺杂促进了β-Bi2O3的生成, 抑制了α-Bi2O3的生成.本实验的N掺杂Bi2O3光催化剂样品经470℃的高温煅烧而得, 不仅得到了β-Bi2O3晶相, 而且生成了Bi5O7NO3晶相, 说明N从体相内部取代了Bi2O3晶格中部分O原子, 并形成了稳定的Bi-N键.

图1 未掺杂及不同N掺杂量Bi2O3样品的XRD图谱Fig. 1 XRD patterns of undoped andN-doped Bi2O3samples

2.2 FT-IR分析

图2是未掺杂及N掺杂Bi2O3在400~2000 cm-1区域内的红外谱图. 未掺杂Bi2O3在400~600 cm-1范围内的伸缩振动峰归属于BiO6八面体的Bi-O键, 835.66 cm-1处的伸缩振动峰归属于Bi-O-Bi键[ 16]. 所有N掺杂Bi2O3在400~600 cm-1范围内的伸缩振动峰明显减弱, 而在1024.69 cm-1处出现了新的振动峰. 因此, 可以认为N原子取代了BiO6八面体中的部分O原子, 1024.69 cm-1处的振动峰说明形成了Bi-N键.

图2 未掺杂及不同N掺杂量Bi2O3样品的FT-IR图谱Fig. 2 FT-IR spectra of undoped andN-doped Bi2O3samples

2.3 XPS分析

图3为N掺杂Bi2O3(N/Bi=0.5)的XPS全谱及Bi、O、N元素的高分辨分谱扫描图. 由全谱(图3(a))可知, 在100~600 eV以内依次出现了C1s、N1s、Bi4f以及O1s峰, 其中C1s峰的出现可能来自于表面污染或有机前驱物在煅烧过程中的未完全燃烧. 在铋的高分辨图(图3 (b))中出现了Bi4f7/2和Bi4f5/2峰, Bi4f7/2峰在158.36 eV, Bi4f5/2峰在163.70 eV. 经与XPS谱图数据库对比, 可以得出所制得N掺杂Bi2O3粉体中铋的化合价为三价, 键合能值与文献[ 16]报道的也非常接近.

图3 N掺杂Bi2O3(N/Bi=0.5)的XPS全谱图(a)及Bi (b)、O (c)、N (d)元素高分辨谱图Fig. 3 XPS spectra of N-doped Bi2O3sample (N/Bi=0.5) (a) and high resolution scan of Bi (b), O (c), N (d) elements

图3(c)氧的高分辨图可见, 位于529.9 eV的O1s特征峰可分解为529.3、530.98和532.5 eV三个特征峰, 其中位于532.5 eV左右的高结合能峰归属于Bi-O-Bi键, 而位于529.3、530.98 eV左右的峰则一般归属于O-N键和Bi-O键[ 17]. 由图3(d)氮的高分辨图可见, N掺杂样品在406.74 eV左右出现了N1s峰, 说明部分N已进入到Bi2O3的晶格, 结合FT-IR表征结果, 进一步证实了催化剂中Bi-N键的存在.

2.4 UV-Vis吸收光谱

图4为未掺杂和N掺杂Bi2O3的UV-Vis吸收光谱图, 由图可见, 相对于未掺杂Bi2O3, N掺杂Bi2O3样品对λ=430~550 nm范围内的可见光吸收均有不同程度的提高, 而在紫外光部分则有一定程度的降低, 说明N掺杂能拓宽Bi2O3的光吸收范围, 使其吸收带边发生红移. 根据( αh ν)2对光量子能量(h ν)变化关系[ 18](见内插图)可以获得Bi2O3和N掺杂Bi2O3(N/Bi=0.5、1.0、2.0)的能带隙分别为2.83、2.38、2.35和2.34 eV. 由此可知, N掺杂可以降低Bi2O3的禁带宽度, 增大光谱响应范围, 从而提高了光能的利用率.

图4 未掺杂及不同N掺杂量Bi2O3样品的紫外-可见吸收光谱Fig. 4 UV-Vis absorption patterns of undoped andN-doped Bi2O3samples

2.5 PL分析

图5为各样品的荧光发射(PL)光谱图, 激发波长均为367 nm[ 19]. 由图5可知, 所有样品在440~500 nm范围内的光致发光曲线形状基本相似, 这说明N的掺杂并没有引起新的荧光现象, 只是影响了PL光谱的响应强度. N掺杂后Bi2O3的荧光强度均有一定程度的减弱, 并且随着掺N量的增加, 样品的荧光强度越来越小. 一般认为, 半导体的光致发光是由于光激发产生的电子(e-)和空穴(h+)重新复合而导致的, 其荧光强度可以反映光生电子和空穴复合几率的大小, 荧光强度越小, 表明电子和空穴复合几率越小[ 20]. 因此, N掺杂有利于Bi2O3表面光生电子和空穴的分离, 提高其可见光催化活性.

图5 未掺杂及不同N掺杂量Bi2O3样品的荧光发射光谱Fig. 5 PL spectra of undoped andN-doped Bi2O3samples

2.6 可见光催化性能

未掺杂和N掺杂Bi2O3样品的可见光催化活性测试结果见图6, 从图中可见, 不同N掺杂量Bi2O3的可见光催化活性均得到了较大的提高, 其中以N/Bi=0.5样品的可见光催化活性最高, 采用此催化剂反应到3 h时, 甲基橙的降解率即可达73.4%. 而 N掺杂量较高的样品则表现出了相对较低的可见光催化效率, 尽管其具有更低的电子和空穴复合几率.这是由于随着N掺入量的增加, 虽然提高了在可见光区域光生电子和空穴的分离效率, 但会导致在Bi2O3价带上方形成的N掺杂能级向高能级处扩展[ 21], 使得在可见光照射下, 从这些掺杂能级产生的空穴的氧化能力变弱. 同时还会导致Bi2O3表面电位过低, 在一定程度上阻碍了光生电子向催化剂表面有效的迁移, 从而不利于可见光催化活性的进一步提高[ 22].

图6 未掺杂及不同N掺杂量Bi2O3样品对甲基橙的可见光降解Fig. 6 Photodegradation of methyl orange by undoped and N-doped Bi2O3 under visible light irradiation

2.7 N掺杂提高Bi2O3可见光催化活性机理

根据XRD表征结果, 未掺杂Bi2O3为单纯的单斜相α-Bi2O3, N掺杂Bi2O3样品则为四方相β-Bi2O3和Bi5O7NO3组成的混晶. 研究表明, β-Bi2O3具有比α-Bi2O3更高的可见光催化活性[ 23, 24, 25, 26, 27]. 综合表征和可见光催化实验结果, N掺杂Bi2O3可见光催化活性提高的机理主要有两点: 一方面, N掺杂促进了β-Bi2O3的生成, 抑制了α-Bi2O3的生成. β-Bi2O3具有相对更窄的禁带宽度, 光谱响应范围更宽, 使其对可见光具有更高的利用效率. 本实验所制得N掺杂Bi2O3(N/Bi=0.5、1.0、2.0)的能带隙分别为2.38、2.35和2.34 eV, 对波长小于550 nm的可见光均有较强的吸收,因而具有更高的可见光催化活性; 另一方面, N原子取代Bi2O3晶格中部分O原子后, 生成了Bi5O7NO3. 有文献报道, Bi5O7NO3在可见光下也具有良好的光催化活性[ 17]. 因此, 与未掺杂Bi2O3相比, N掺杂Bi2O3具有更加优异的可见光催化性能.

3 结论

采用沉淀法, 以六次甲基四胺为氮源, 通过较温和的反应条件成功地制备了N掺杂Bi2O3光催化剂. 光催化实验表明, N掺杂Bi2O3均表现出比未掺杂Bi2O3更高的可见光催化活性, 其中以N/Bi=0.5样品的可见光催化活性最强. XRD测试结果表明, 未掺杂Bi2O3为单斜相α-Bi2O3, 而N掺杂Bi2O3为四方相β-Bi2O3和Bi5O7NO3组成的混晶. FT-IR和XPS分析发现, N原子取代了Bi2O3中部分晶格氧, 并以Bi-N键的形式稳定存在. UV-Vis和PL测试结果显示, 未掺杂和N掺杂Bi2O3(N/Bi=0.5、1.0、2.0)的能带隙分别是2.83、2.38、2.35和2.34 eV; N掺杂Bi2O3的荧光强度均小于未掺杂Bi2O3, 说明N掺杂能有效提高光生电子和空穴的分离.

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