作者简介: 余忠雄(1989-), 男, 硕士研究生. E-mail: 792965158@qq.com
以低温燃烧法制备钨酸铋(LCM-Bi2WO6), 并表征了其晶体结构、形貌特征、等电点及紫外漫反射谱, 同时以染料罗丹明B(RhB)为目标污染物(25 mg/L, pH=4), 考察了所制备Bi2WO6的吸附性能和光催化性能, 并探讨了RhB溶液pH(1、4、7、10)及酸度调节剂成分(盐酸和硫酸)的影响。结果表明, 所制备Bi2WO6为正交相, 吸收极限波长为455 nm, 禁带宽度为2.72 eV, 晶格粒径为14.7 nm, 等电点为3.43; 其对RhB的吸附和光催化效果强于水热法制备Bi2WO6和二氧化钛(TiO2)。不同pH溶液中, LCM-Bi2WO6对RhB的吸附过程和光催化过程分别符合准二级动力学方程和一级动力学方程式, 且吸附平衡量(7.48~21.93 mg/g)和光催化速率常数(0.0197~0.1181 min-1)均随pH降低而增大。LCM-Bi2WO6对RhB的光催化降解主要由·OH所致。光催化过程中, RhB紫外可见光谱的蓝移现象揭示LCM-Bi2WO6可通过脱乙基-共轭显色基团断裂途径降解RhB。以H2SO4调节酸度时, SO42-离子可被Bi2WO6强吸附, 从而使得LCM-Bi2WO6对RhB的平衡吸附量( qe为6.03 mg/g)和光催化速率( kv为0.115 min-1)远小于HCl调节( qe为21.93 mg/g, kv为0.1181 min-1)时对RhB的平衡吸附量和光催化速率。
Bismuth tungstate (Bi2WO6) was synthesized by low-temperature combustion method (LCM) and characterized by diffuse reflectance spectroscope (DRS), X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM) and Zeta potential. The effects of solution pH and acidity regulator types on the photocatalytic degradation of RhB by LCM-Bi2WO6 were investigated. Results showed that LCM-Bi2WO6 was an orthorhombic crystal and its wavelength of maximum absorption, forbid bandwidth, lattice size and isoelectric point were 455 nm, 2.72 eV, 14.7 nm and 3.43, respectively. Stronger adsorption and photodegradation of RhB (25 mg/L, pH=4) using LCM-Bi2WO6as photocatalyst was observed, compared with using TiO2 or Bi2WO6 prepared by hydrothermal method as photocatalyst. Adsorption and photodegradation of RhB by LCM-Bi2WO6satisfied the pseudo-second-order kinetic equations and first order kinetic equations, respectively. Equilibrated adsorption capacity (7.48-21.93 mg/g) and photodegradation rate constants (0.0197-0.1181 min-1) of RhB by LCM-Bi2WO6 were positively related to solution pH. Photocatalytic degradation of RhB by LCM-Bi2WO6 was mainly triggered by free hydroxyl groups (•OH). Blue shifts of RhB ultraviolet-visible spectrum indicated its degradation through ethyl removal and conjugated groups break pathway. Weaker adsorption ( qe=6.03 mg/g) and photodegradation ( kv=0.115 min-1) of RhB by LCM-Bi2WO6using H2SO4 as acidity regulator were observed compared with using HCl ( qe=21.93 mg/g, kv=0.115 min-1) as acidity regulator, because of SO42-strong adsorption to LCM-Bi2WO6.
钨酸铋(Bi2WO6)是一种高效、低毒且稳定性好的光催化材料, 其禁带宽度较窄(仅为2.80 eV左右), 可利用近紫外光(300~400 nm)甚至是太阳光, 催化去除水中有机污染物[1]。因此, Bi2WO6在水污染处理方面具有重要应用价值, 已成为研究热点问题[2]。
Bi2WO6的制备方法主要包括固相反应法[3]和水热法[4, 5, 6, 7]等, 但这些方法大多反应复杂、耗时长、能耗大[8], 探索Bi2WO6的新型制备方法十分必要[9]。低温燃烧法(Low-temperature Combustion Method, LCM)是以可溶性金属盐(主要为硝酸盐)作为氧化剂, 以有机燃料(如氨基乙酸、尿素、柠檬酸等)作为还原剂, 将二者在一定温度下点燃后引发化学反应制备材料的方法[10]。该方法制备材料的能量由反应体系放出的热量提供, 反应过程中放出大量气体, 使得制备材料质地疏松、不易结块, 是合成纳米材料的理想方法。另外, 该方法反应条件简单、均匀性高, 制备过程迅速, 可规模化生产应用[11]。然而, 采用LCM制备Bi2WO6的研究鲜见报道[12], 反应条件(如pH值等)对其光催化性能的影响报道亦少。
本工作以LCM制备Bi2WO6, 通过XRD衍射仪、扫描电镜(SEM)、Zeta电位仪和紫外-可见分光光度计等表征其晶体结构、形貌特征、等电点及紫外漫反射谱; 同时, 考察了溶液pH和酸度调节剂种类对Bi2WO6光催化降解模式污染物罗丹明B(RhB)的影响。
硝酸铋(Bi(NO3)3· 5H2O)和钨酸钠(Na2WO4· 2H2O)为ACS级, 氨基乙酸(C2H5NO2)、无水乙醇(C2H5OH)、氢氧化钠(NaOH)、盐酸(HCl)、硫酸(H2SO4)和罗丹明B(C28H31ClN2O3)均为分析纯。二氧化钛(TiO2), 纯度99.5%, 购自杭州万景科技有限公司, 实验用水均为双蒸水。采用D/MAX型(Rigaku, 日本)XRD衍射仪(CuKα 、36 kV、20 mA)测定LCM制备Bi2WO6的结构特征, 测定波长λ 为0.15406 nm, 2θ 的扫描范围、速度和步长分别为20° ~70° 、8° /min和0.02° 。采用场发射扫描电镜(JSM-6330F, 日本)观察LCM制备Bi2WO6的形貌特征。采用带积分球的紫外可见分光光度计(U-3010型, 日本), 以BaSO4为参比, 测定LCM制备Bi2WO6的紫外-可见漫反射光谱。准确配置pH为1~7的Bi2WO6悬浮液, 采用Zeta电位仪(nano-ZS, 英国马尔文)测定其Zeta电位, 并以pH值和Zeta电位进行线性拟合, 从而求得所制备Bi2WO6等电点。
将2 mmol硝酸铋(Bi(NO3)3· 5H2O)和1 mmol钨酸钠分别溶于2 mL硝酸(2 mol/L)和30 mL含一定量氨基乙酸(C2H5NO2)的双蒸水中, 制得钨酸钠溶液和硝酸铋溶液。二者在200 mL烧杯中混合后得到乳白色悬浮液, 即纳米Bi2WO6的前驱体。将盛放Bi2WO6前驱体的烧杯在预热至200℃的控温电热板上加热反应并不断搅拌, 当温度达到C2H5NO2的分解温度时, 反应体系开始自蔓延燃烧, 并伴随大量气体逸出, 此时烧杯中生成淡黄色疏松物质。待自蔓延反应完成后, 收集烧杯中生成的淡黄色疏松物质, 依次用蒸馏水和无水乙醇离心洗涤各3次后, 再置于60℃的恒温烘箱干燥后, 即得到Bi2WO6粉体(记作LCM-Bi2WO6)。另外, 采用水热法[13]合成Bi2WO6(记作水热法- Bi2WO6)。
配制300 mL RhB溶液(25 mg/L), 加入0.3 g Bi2WO6, 在磁力搅拌(JB-2型, 上海)条件下(200 r/min), 避光进行吸附实验。每隔15 min取样1次, 过0.22 µ m滤膜, 滤液用TU-1810/1810S型紫外-可见分光光度计(普析通用, 北京)在λ =554 nm处检测其吸光度, 并根据标准曲线求出滤液中RhB的浓度。以时间(t)为横坐标, 吸附率(某时刻滤液中RhB的浓度与RhB溶液初始浓度之比)为纵坐标绘制曲线, 表征制备Bi2WO6对RhB的吸附性能。
配制300 mL RhB溶液(25 mg/L), 加入0.3 g Bi2WO6, 避光磁力搅拌30 min使之达到吸附-解吸平衡(根据吸附实验结果), 此过程为暗反应阶段。之后, 用125 W高压汞灯(GGZ-125型)作为反应光源(加365 nm滤光片, 保证光波长在300~400 nm), 在磁力搅拌器作用下(200 r/min)进行光催化实验(光反应阶段)。每隔15 min取样1次过0.22 µ m滤膜, 检测其吸光度, 并根据标准曲线求出滤液中RhB的浓度。以时间(t)为横坐标, 去除率(某时刻滤液中RhB的浓度与RhB溶液初始浓度之比)为纵坐标绘制曲线, 以此表征纳米LCM-Bi2WO6的光催化性能。同时, 根据上述实验方法和步骤, 分别进行水热法合成Bi2WO6以及二氧化钛(TiO2)对RhB的光催化降解实验, 以此比较LCM-Bi2WO6、水热法-Bi2WO6以及TiO2三者间光催化性能的差异。
为了考察pH对LCM法制备Bi2WO6吸附性能和光催化性能的影响, 以0.1 mol/L盐酸(硫酸)或0.1 mol/L氢氧化钠分别调节RhB溶液pH为1、4 (RhB原溶液的pH)、7、10, 然后再分别测试吸附性能和光催化性能。
XRD分析显示, LCM-Bi2WO6各衍射峰(2θ )位置均与正交相Bi2WO6(JCPDS 39-0256)衍射峰位置一致, 无杂峰出现(图1(a)), 表明其均为纯正交相Bi2WO6。根据Debye-Scherrer公式计算晶粒粒径分别为14.7 nm。
扫描电镜(SEM)观察结果显示, LCM-Bi2WO6粉体呈不规则微粒状(图1(b)), 存在团聚现象。采用Zeta电位仪测定了不同pH条件下LCM-Bi2WO6的Zeta电位, 求出其等电点为3.43。根据LCM-Bi2WO6的紫外漫反射谱及切线法可知, 其吸收极限波长为455 nm, 用吸收极限波长与禁带宽度的关系式(1), 求得其禁带宽度为2.72 eV(图1(c))。
Eg= hc/λ 0= 1240/λ 0(1)
式中Eg为禁带宽度; h为普朗克常数, 其值为6.6218× 10-34Js; c为光速, 其值为3× 108m/s; λ 0为吸收极限波长。
以RhB(pH=4, 25 mg/L)为目标降解物, 以水热法-Bi2WO6以及TiO2为对照, 研究了 LCM-Bi2WO6的光催化性能如图2所示。结果显示, 暗反应阶段, LCM-Bi2WO6对RhB的吸附(13.81 mg/g)高于水热法-Bi2WO6(6.75 mg/g)和TiO2(0.05 mg/g)。同样地, 在光反应阶段, LCM-Bi2WO6对RhB的降解效率也高于水热法-Bi2WO6和TiO2。150 min内, LCM-Bi2WO6可对RhB完全脱色降解, 而水热法- Bi2WO6和TiO2对RhB的脱色效率分别只有80%和62%。可见, LCM法制备Bi2WO6具有较强的光催化活性和应用前景。
不同溶液pH条件下, LCM-Bi2WO6对RhB吸附均较为迅速, 在30 min内即可达到吸附平衡(见图3), 且吸附过程均较好符合准二级动力学方程式(式(2)), 相关系数R2大于0.9995。
t/qt=1/kqe2+1/qet (2)
式中t为采样时间(min), k为准二级动力学方程常数, qe为平衡吸附量(mg/g)。
值得注意的是, RhB溶液pH越低, LCM-Bi2WO6对其的平衡吸附量(qe)越大。当RhB溶液pH=1时, LCM-Bi2WO6对RhB 的qe值达到21.93 mg/g, 分别为pH=4、pH=7以及pH=10条件下的1.59倍、2.49倍以及2.93倍(表1)。有研究显示, Bi2WO6可通过电性引力以及其吸附活性中心吸附RhB, 其中pH越低, 活性中心作用越强[14]。LCM-Bi2WO6的等电点为3.43, 当pH为1时, 其表面带正电, 难以通过电性引力吸附同样带正电的RhB, 但此时Bi2WO6酸性中心活性较强, 可通过对N原子孤对电子的共价作用强烈吸附RhB。随着溶液pH的升高, Bi2WO6表面正电荷逐渐减少, 负电荷增加, 其对RhB的电性吸附作用增强, 而共价吸附作用减弱。当pH为10时, Bi2WO6主要通过电性引力吸附RhB。由于酸性中心共价作用的强度远强于静电吸附作用。因此, pH越低, Bi2WO6对RhB吸附作用越强。
不同溶液pH条件下, 近紫外光对RhB的光降解过程(未添加纳米LCM-Bi2WO6)以及LCM- Bi2WO6对RhB的光催化过程均符合一级动力学反应方程式(式(3)), 且呈现RhB溶液pH越低, 其降解速率常数(kv)越大的特征(图4)。此结果表明, 酸性越强越有利于LCM-Bi2WO6对RhB的光催化降解, 这与Bi2WO6吸附活性中心对RhB吸附作用随溶液pH降低而增强有关。文献[15]研究Bi2WO6近紫外光催化降解微囊藻毒素得到相同结果。
ln(Ct/C0)=a-kvt (3)
式中t为采样时间点(min), Ct(mg/L)为t时刻溶液中罗丹明B的浓度, C0为初始浓度, a为一级反应动力学常数, kv为一级反应动力学速率常数, 其值越大表明反应速率越快。
值得注意的是, LCM-Bi2WO6对RhB的光催化速率常数在0.0203~0.1201 min-1之间, 比近紫外光(未添加Bi2WO6)对RhB的光降解速率常数(0.0003~ 0.0081 min-1)高1~2个数量级(表2)。为了表征LCM-Bi2WO6光催化降解机理, 考察了典型羟基自由基(· OH)捕获剂二甲基亚砜(DMSO)对其光催化降解RhB的影响。结果表明, 10%DMSO(v/v)显著抑制了LCM-Bi2WO6对RhB(pH=4)的光催化降解, 150 min内的降解抑制率高达75%(图5), 表明LCM-Bi2WO6对RhB的光催化降解主要由· OH所致。未添加LCM-Bi2WO6时, RhB的降解主要由近紫外光分解水分子产生的羟基自由基(· OH)造成, 此过程· OH产生速率较低, 故RhB降解速率较慢; 添加LCM-Bi2WO6后, 其价带电子吸收近紫外光, 激发跃迁至导带, 从而形成电子(e-)-空穴(h+)对, h+与e-分别与溶液中的水分子(H2O)和溶解氧(O2)反应生成· OH[16], 这一过程产生· OH速率较快, 因而大幅提高RhB的降解速率。
图6显示了不同溶液pH条件下, LCM-Bi2WO6催化降解过程中RhB的紫外吸收光谱。不同pH溶液处理RhB的紫外-可见光谱在反应初期均出现吸收峰值降低的现象, 但未出现蓝移现象; 随着反应时间的增加, 各处理RhB的紫外-可见光谱吸收峰值继续下降, 并发生蓝移。溶液pH为1时, RhB吸收峰蓝移较少, 仅移至550 nm处; 而pH为4、7和10时, RhB吸收峰蓝移较多, 前两者吸收峰蓝移至530 nm处, 后者吸收峰蓝移至544 nm处。文献[17]研究显示, RhB特征吸收峰峰值(554 nm)的降低及其位置的蓝移分别指示RhB显色基团断裂和RhB氮原子所连乙基被脱除, 其中544和530 nm分别为RhB脱去一个乙基以及两个乙基生成中间产物的特征吸收峰。可见, LCM-Bi2WO6近紫外光催化降解RhB在反应初期以共轭显色基团直接断裂途径降解(途径Ⅰ ), 之后以脱乙基-共轭显色基团断裂途径降解(途径Ⅱ )。反应初期, RhB浓度较高, 作为光敏物质, 其在纳米LCM-Bi2WO6催化条件下吸收近紫外光, 直接发生共轭显色基团断裂的降解反应。随着反应时间的延长, RhB浓度逐渐降低, 光敏作用减弱, 且在Bi2WO6催化条件下, 溶液中产生大量· OH等活性氧化物质, 其脱去RhB分子上与N原子相连的乙基后, 才使RhB显色基团断裂, 即降解途径Ⅱ 。另外, 在强酸性条件下(pH=1), LCM- Bi2WO6对RhB的吸附/降解活性较强, RhB直接以途径Ⅰ 降解, 故其吸收峰值蓝移较少; 在强碱性条件下(pH=10), LCM-Bi2WO6对RhB的吸附/降解活性较弱, 故对RhB的脱乙基作用较弱, 经过150 min反应其吸收峰只迁移至544 nm处。
盐酸(HCl)和硫酸(H2SO4)均为常见的pH调节剂, 但是由于两者所带阴离子化合价态的差异, 调节同一反应溶液, 光催化效果可能相差很大。本实验考察了分别以0.1 mol/L HCl和0.1 mol/L H2SO4作为调节剂, 调节RhB溶液pH均为1时(调节时逐滴加入, 不存在回滴现象), LCM-Bi2WO6对二者处理的RhB光催化效果的差异。结果表明, 以HCl或H2SO4作为pH调节剂时, Bi2WO6对RhB的降解均符合一级动力学方程式(表3), 但在暗反应阶段, 前者处理Bi2WO6对RhB的吸附量为后者的3倍; 在光反应阶段, 前者处理中RhB降解速率常数(0.1201 min-1)是后者处理的10倍(0.0117 min-1), 即H2SO4为酸度调节剂不利LCM-Bi2WO6吸附和光催化降解RhB。同浓度的HCl和H2SO4调节相同溶液至同一pH时, HCl用量为H2SO4的2倍, 即调节完成后, 前者处理溶液中氯离子(Cl-)浓度为后者处理中硫酸根浓度的2倍(SO42-)。浓度较小的SO42-, 抑制作用较强, 这与其酸性条件下在LCM-Bi2WO6表面的强吸附作用有关。图7表明, 以HCl或H2SO4调节酸度后, LCM- Bi2WO6 的XRD图谱分别出现了H2SO4(JCPDS 74-1174)和氯化铝水合物的特征衍射峰(JCPDS 27-0011), 说明SO42-和Cl-吸附于LCM-Bi2WO6表面。同时, 当pH为1时, 带正电LCM-Bi2WO6(等电点为3.43)的吸附作用随阴离子化合价态呈指数增长[18], 因此LCM-Bi2WO6更易吸附SO42-。SO42-的吸附, 一方面降低了对光的吸收利用, 另一方面影响其对RhB的吸附, 从而显著抑制Bi2WO6对RhB的光催化降解。
1) 采用低温燃烧法制备获得的钨酸铋(LCM- Bi2WO6)对RhB的吸附和光催化效果强于水热法- Bi2WO6和TiO2, 具有良好的应用潜力。
2) RhB溶液pH越低, LCM-Bi2WO6对RhB的吸附和光催化降解性能越强。LCM-Bi2WO6对RhB的光催化降解主要由· OH所致。
3) LCM-Bi2WO6可通过脱乙基-共轭显色基团断裂途径降解RhB。
4) 以HCl调节RhB溶液pH比H2SO4调节更有利于LCM-Bi2WO6对RhB的吸附和光催化降解。