简单的合成二氧化钛/ Bi2O3垂直的光催化降解水中污染物

文摘

半导体光催化是一种先进的氧化降解的有机过程污染物在废水。TiO₂是一个很好的光催化剂在紫外光,但吸收可见光,只有一小部分。的一种方式来扩展它的光吸收光谱是夫妇TiO₂像β-Bi窄禁带半导体₂O₃。事实上,带隙的低价值因此位于(2.3 eV)意味着他们可以吸收可见光的一部分大于二氧化钛。这项工作的目的是优化β-Bi的简单合成₂O₃/ TiO₂p25垂直和评估方面的法制备的复合材料的光催化活性的光降解橙色二世在可见光和紫外光。

关键字

光催化,Bi₂O₃/ TiO₂、马来酸、橙色II,可见光,水防止污染

介绍

正如我们在这项工作的第一部分解释(1),二氧化钛,尤其是它的锐钛矿结晶形式,是最受欢迎的光催化剂。然而,TiO₂作为光催化剂只能兴奋紫外线(短于390海里)。它可以吸收可见光,只有一小部分(约3%的地球上太阳光谱)(1]。有几种解决方案从而能够延长无孔二氧化钛的光吸收光谱的可见区域。从这些方法中,我们选择几个TiO₂与窄带隙半导体(比如cd、卧室₃,SnO₂)。Bi₂O₃是一个p型半导体,有四个主要的晶体结构。在过去的十年里,基于三氧化二铋催化剂在许多出版物已报告是很好的候选人环境光催化作用[2]。事实上,相对较低的带隙值(2.8 eV)意味着他们可以吸收更大比二氧化钛可见光的一部分。他们能够氧化水和产生高活性物种如哦°和O₂°,因此启动氧化反应。最近,人们发现β-Bi₂O₃阶段有一个非常小的带隙(2.3 eV),因此,它可以吸收可见光540 nm 6 - 8 (3]。然而几个限制β-Bi的应用问题₂O₃在异构photo-catalysis [4]。在一个方面,β-phase是亚稳相,很容易转化为Bi₂O₂有限公司₃在另一个方面,但量子产率低的复合图生成的物种(e - / h +)相对比较快。然而,TiO₂/ Bi₂O₃耦合可以稳定β-Bi₂O₃因此解决光催化效率低的问题。TiO的₂异质结和另一个比铋氧化物半导体带隙较小,导致TiO的位移₂吸收光谱中的可见光区域(红移),因为photosensitizing Bi的效果₂O₃(5]。这些类型的垂直也促进照片的分离和转移产生的费用和提高效率的光催化材料6]。这项工作的目的是优化β-Bi的简单合成₂O₃/ TiO₂p25垂直和评估准备复合材料的催化活性的照片退化在可见光和紫外光的橙色二世。

实验部分

Bi的准备₂O₃/ TiO₂垂直

典型的合成由β-Bi引入一个适当的体重₂O₃在40毫升的绝对乙醇三颈瓶,然后0.2 g的马来酸溶解在乙醇添加三氧化二铋的泥浆。经过几分钟的搅拌,TiO的1 g₂p25(赢创)添加到混合物。这种混合放置在剧烈搅拌下6小时,然后用乙醇洗净去除多余的顺丁烯二酸。产品从而获得一夜干60°C和煅烧炉在300°C 3 h (7]。同样,显示真正的异质结的形成,TiO₂bi₂O₃混合不同比例可以由简单的研磨两种氧化物的砂浆。注意,β-Bi₂O₃制备方法进行了优化在以前的工作8]。

表征和Bi₂O₃/ TiO₂

x射线衍射模式得到D8推进力量衍射仪,在q / 2 q模式和使用的铜Kα辐射1.5406˚。扩散反射光谱进行了瓦里安卡里4000紫外可见配备DRA900集成领域。表面积和孔隙度的测量进行了ASAP2010微粒学三星设备使用N₂作为吸附剂在液体N₂温度。N之前₂吸附,材料是喝醉酒的主真空在200°C下过夜。的比表面积计算N₂吸附等温式使用选择方法。透射电子显微镜(TEM)进行Topcon 002 b显微镜工作电压200 kV和点对点0.17纳米的分辨率。有声的示例是分散在乙醇溶液下降的解决方案是放置在一个铜网格覆盖多洞的碳膜的观察。

光催化效率的评价

探讨光催化降解性能的材料,批处理模式在环境温度实验玻璃量筒反应堆与水溶液中橙色二世(染料)在紫外和可见的辐照。ATLAS是我CPS和太阳能盒模拟天然辐射和配有蒸汽氙气灯是用于实验。我们也只使用可见光进行染料降解实验。在这种情况下,所有实验参数是相同的,除了紫外线光的一部分是通过减少3毫米厚GG420过滤器(Schott)放在photoreactor(β> 420海里)。光催化异质结粉末通过搅拌浸在第二卷200毫升的橙色溶液(C_orangeII= 50 mg / l)。每个辐照之前,液态悬浮液被蒙在鼓里30分钟以达到吸附平衡。在辐照过程4毫升的解决方案以固定时间间隔采样和过滤(Whatmann, 0.45毫米)。其余浓度的橙色二世决定天秤S12紫外可见分光光度计(β= 484海里)。

结果与讨论

样本特征

元素分析

在Bi / TiO Bi内容₂复合材料是通过原子吸收光谱进行的“Plateforme d分析des Inorganiques”“研究所Curien Pluridisciplinaire Huber”,斯特拉斯堡(法国)。Bi / TiO₂实验材料含有1 wt. % 5 wt. %,和10 wt. 0.95 wt. %, %的Bi显示的内容分别为05.22 wt. % 10.02 wt. %。

紫外可见

TiO₂有带隙3.2 eV(βmax = 387海里)的锐钛矿相,3.0(βmax = 413海里)金红石相。结果,他们太大吸收可见光,因此纯TiO₂将从β> 420海里(不活跃9]。如果我们比较这准备Bi₂O₃tio₂垂直,低能量的吸收光谱是转移到区域(图1)。所有准备垂直显示响应在可见区由于photosensitizing Bi的效果₂O₃正如我们在以前的工作[已经显示出10]。因此,我们观察到两个贡献:第一个约400 nm符合的吸收紫外线a TiO的辐照₂锐钛矿和第二个450海里对应于Bi的可见的吸附₂O₃。此外,可见光吸光度随Bi / Ti比例,由Bessekhouad报道(10]。

XRD

光谱显示TiO的主要衍射峰的存在₂(锐钛矿和金红石)和β-Bi₂O₃(图2)。没有峰值对应的副产品,这表明没有热处理过程中产生的化学反应在300°C。因此我们有β-Bi的山峰₂O₃阶段,目前即使在包含5%的三氧化二铋复合材料。在这种情况下,我们可以假定三氧化二铋是分布在TiO₂表面(无论Bi / Ti比例)所示的TEM图像(图3)。

TEM

图3显示了5%的Bi的显像₂O₃/ TiO₂异质结。我们注意TiO₂p25晶体的平均大小的大约20纳米球形确认从XRD分析计算。粒子部分凝聚,使用这种方法的准备。图像显示Bi的存在₂O₃球形纳米粒子平均直径为5 nm TiO的表面上均匀分布₂粒子。

打赌表面和孔隙结构

打赌表面积是一个重要的参数在确定纳米粒子的光催化活性。介孔纳米粒子在催化照片是很重要的,因为他们允许通过反应物和产物在催化剂。大小和孔隙体积计算使用巴雷特Joyner Halenda (BJH)方法。打赌的表面积和孔隙体积减少,而孔隙大小与Bi / Ti比例增加图4。复合绝缘吸附的形状可以归因于II型与微不足道的滞后,这是本质上的特征无孔材料,如P25 [11]。这一系列的材料就会诱发的“电子效应”显著差异反应而不是表面性质。所有的更是如此,因为粒度分布没有最大,确认这些复合材料的无孔的性质。

光催化活性的评价

我们在以前的工作方法12- - - - - -15)不会产生预期的结果在可见光照射下执行。我们选择了另一种方法包括直接混合氧化物。然而,通过初步测试(如图所示图5),混合Bi是不够的₂O₃和TiO₂纳米粒子在砂浆创建一个异质结。在图5,准备Bi的紫外线下的光催化性能₂O₃/ TiO₂混合物是TiO的几乎相同的₂p25孤单。虽然这混合物不活跃在可见光(β> 420海里),因此需要添加一个活页夹在热处理之前创建一个高效的异质结。最近一次是在2014年,Chakraborty等人用马来酸(MA)作为粘合剂异质结Bi做准备₂O₃/ TiO₂。顺丁烯二酸的作用是使用两个化学结合这两种氧化物酸二酸分子的功能方案1。

图6显示了光催化降解的结果橙色二世与Bi / Ti异质结的准备与马来酸紫外可见(图6)和可见的范围(图6 b)。我们可以推断出橙色的最佳降解二世在紫外可见范围实现复合Bi / TiO的5%₂p25,而最有效的利率在可见范围内实现与5和10% Bi / TiO垂直₂p25。最好的组合是β-Bi准备样品₂O₃/ TiO₂p25的去除率5%橙二世在紫外和可见范围的80%,100%后220分钟照射。

正如我们在前面解释工作[16],Bi₂O₃/ TiO₂异质结,在可见光下,洞形成于Bi的价带₂O₃转移到上层TiO的价带吗₂。电子传导带的Bi₂O₃与水中的溶解氧反应。根据(19),会有一个电子交互界面的两个半导体(异质结)导致载流子通过这个结的转移(图7)。基本概念是半导体(Bi photogenerated指控的兴奋₂O₃如果β> 420海里)可以转移到第二,un-excited、半导体(TiO₂)。在这种情况下,e - / h +复合因此有限和转移洞将形成羟基自由基反应和水哦,两个氧化物表面吸附。在这种复合,主要光催化剂二氧化钛,三氧化二铋作为吸附剂在可见光光敏剂(20.]。

结论

在这个工作我们优化β-Bi灵巧的合成₂O₃/ TiO₂p25垂直通过直接混合两种氧化物的顺丁烯二酸(有机粘结剂)。准备的催化活性的复合材料在可见光和紫外光下被评估关于橙色II。最好的组合是β-Bi准备样品₂O₃/ TiO₂p25的去除率5%橙二世在100%在紫外可见和80%可见,220分钟后辐照。这是观察到的异质结可以吸收能量的可见区域。因此有必要添加粘结剂在热处理之前为了创建一个高效的异质结,因为如果我们Bi混合在一起₂O₃和TiO₂纳米粒子没有顺丁烯二酸在砂浆就没有可见光下催化活性(β> 420海里)。

确认

作者要感谢法国外交部和法国大使馆在科特迪瓦(校园法国项目)为他们的资金百基拉AYEKOE博士科研资助的。

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