毕业生-外文翻译之光催化方向资料

Preparation of Bi-doped TiO2 nanoparticles and their visible light

photocatalytic performance

Haiyan Li a,b, Jinfeng Liu a, Junjie Qian a, Qiuye Li a, Jianjun Yang a,* Bi掺杂的TiO2纳米颗粒的制备以及它的可见光催化性能

摘要：采用钛酸纳米管最为Ti的前驱体通过水热生长法合成了Bi掺杂的TiO2光催化剂。样品通过X-射线衍射仪、透射电子显微镜、紫外-可见漫反射光谱和X-射线光电子能谱仪进行材料的表征来确定材料的形貌以及组成。甲基橙（MO）被选为模式污染物来在可见光下评价Bi掺杂的TiO2纳米颗粒的光催化性能。我们发现Bi离子没有进入到TiO2的晶格中，反而以BiOCl的形式存在。获得的BiOCl-TiO2复合纳米材料在可见光下对甲基橙显示出很好的光催化活性。样品中Bi/Ti比率为1%和水热处理的温度为130℃时，合成的材料的光催化活性是最高的。此外，本文还讨论了BiOCl-TiO2复合纳米材料的光催化降解的机理以及增加光催化活性的原因。合成的材料在降解4-氯酚的时候也显示出很高的光催化活性。

1. 介绍

二氧化钛（TiO2）是一种很有前途的光催化剂，因为它生物化学稳定性强、耐光腐蚀和耐化学腐蚀、无毒并且价格低廉，在空气净化、水体净化和光催化分解水方面的应用已经被广泛的研究。虽然TiO2光催化氧化降解有机污染物确实显示出很高的活性，但是有两个主要

原因限制了它的实际应用：一是它对太阳光的利用率低下（只能利用紫外光区域的光），二是TiO2的光生电子和空穴的复合效率高。为了提高TiO2的光催化效率，研究工作者采用了多种多样的方法来增加它对太阳光的吸收以及降低TiO2中光生电子和空穴的符合效率。金属元素Fe, V和Cr和非金属元素N, C和B的掺杂是一种著名的方法。通过金属元素对TiO2的掺杂可以将TiO2的吸收范围拓展到可见光范围，并且如果有合适的能级就可以降低光生电子和空穴的符合效率。金属离子掺杂物可以作为电子或者空穴的捕获位点，所以可以改变电子空穴的符合效率。确实，用不同的金属对TiO2掺杂已经被证明了可以提高TiO2的光催化能力已经增加TiO2对可见光的响应。

进来，大家开始关注Bi离子修饰了的TiO2粉末。通过Bi离子的掺杂可以降低TiO2的禁带宽度，所以可以拓展TiO2的吸光范围到达可见光区域，并且可以增加催化效率。Bi掺杂的TiO2材料在可见光下对一些污染物的降解效率更高，例如甲基橙、苯、醋醛和异丙隆除草剂。通常情况下，Bi掺杂的TiO2材料中，在钛酸铋（Bi x Ti y O z）化合物中的Bi-O多面体和Bi3+是催化过程的活性中心。张等人通过同步组建的方法合成了有序的多空Bi掺杂的TiO2。这些Bi掺杂的TiO2在可见光区域显示出很强的吸收并且在可见光下和紫外光下对水溶液中的苯酚氧化和六价铬的还原显示出催化效率的增加。作者认为好的催化效果来自于材料的独特结构和Bi的掺杂。对于可见光的高响应被发现主要来自于这个掺杂过程，在掺杂过程中形成了一种以Bi-O-Ti建存在的新的Bi价态，并且降低了电子空穴的复合效率。Xu

在温和的条件下通过溶胶凝胶的方法合成了Bi2O3-TiO2纳米复合材料膜。这个膜由锐钛矿的TiO2和Bi2O3组成，TiO2沉积在Bi2O3的表面。对于所有的Bi2O3-TiO2样品在太阳光下催化效率都比TiO2的要高，在Bi/Ti的原子比为1.25%时催化效率是最高的。Wang等利用钛酸四丁酯、五水硝酸铋和硫脲作为前躯体通过溶胶凝胶的方法合成了Bi和S的共掺杂TiO2。共掺杂的TiO2在可见光下对20 mg/L的靛蓝有很高的光催化活性。这里，高效的催化效果是因为存在大量的氧空位、TiO2表面很多的酸性位点以及材料的很大的比表面积。Zuo和合作者也通过溶胶凝胶的方法合成了Bi掺杂的TiO2，并且指出Bi的掺杂导致TiO2和Bi3+的反应而形成了Bi x TiO y，这样就表现出禁带宽度的变窄，降低了光激发的能阈值所以可能增加催化活性。

到目前为止，Bi掺杂的TiO2（BTO）的合成方法主要是溶胶凝胶方法，很少研究是采用水热合成方法来制备Bi掺杂的TiO2。此外，Ti的来源主要是钛酸四丁酯。在本研究工作中，我们第一次利用钛酸（NTA）纳米管最为Ti的前驱体，我们通过水热合成方法合成了一系列的不同Bi/Ti摩尔比的BTO。合成的样品通过X-射线衍射仪、透射电子显微镜、紫外-可见漫反射光谱和X-射线光电子能谱仪进行材料的表征。光催化活性是通过在可见光下对甲基橙的驼色来评价的。作为对照，我们利用钛酸四丁酯作为Ti前驱体采用溶胶凝胶的方法制备了Bi掺杂的TiO2（记为Bi-TiO2）。通过水热方法合成的BTO对甲基橙的催化效果优于溶胶凝胶方法合成的Bi-TiO2。合成的BTO对4-氯酚也有很高的催化降解效果。

2. 实验部分

2.1 催化剂的制备

NTA是参照之前的文献用浓的NaOH+TiO2作为原料合成的。简而言之，300 mL 10 mol/L的NaOH放在一个PTFE烧杯中，3 g P25 (TiO2)粉末在搅拌的情况下加入到中间。之后这个混合液转移到一个高压锅中在120℃热处理24 h。得到的白色沉淀用去离子水洗到pH=7.0-8.0，之后浸入0.1 mol/L的HCl中搅拌7 h。之后沉淀用去离子水洗去除Cl-，在室温下真空干燥。得到的就是NTA。

为了通过水热合成制备Bi-掺杂的TiO2，已知浓度的氯化铋（为了得到Bi/Ti为0%、0.5%、1%、2%和5%）先溶于50 mL盐酸酸化的去离子水中。1 g之前制备的NTA在搅拌的情况下加入到上述溶液中，得到的混合溶液转移到高压锅中在130℃加热3 h。冷却之后，样品用0.1 mol/L的盐酸清洗，再用去离子水清洗之后离心。得到的样品在室温下真空干燥。得到的粉末样品根据上面的Bi/Ti比分别标记为BTO-130-0, BTO-130-0.5, BTO-130-1, BTO-130-2和BTO-130-5。BTO-160-1和BTO-210-1样品分别是指Bi/Ti比都为1%并且水热合成的温度为160℃和210℃。其中，我们采用钛酸四丁酯作为前躯体通过溶胶凝胶的方法合成的Bi-掺杂的TiO2作为对照。Bi-掺杂的TiO2的合成方法是参照zhang等的文章。纯的BiOCl也参照之前jiang等的文献合成的。

2.2 催化剂的表征