四氧化钒铋的应用背景和制备研究

背景及概述^[1]

众所周知，全球性能源危机和环境污染问题日益严重，利用TiO₂光催化降解有机污染物是当前光催化领域的研究热点之一。但是实践证明，TiO₂光催化技术有一定的局限性：其一，光生电子和空穴的复合导致量子产率降低，一般不会超过10％，且很难处理量大、浓度高的工业废气和废水；其二，太阳能的利用率低，以二氧化钛为主的催化剂只能吸收利用太阳光中的紫外线部分，而紫外光不到5％，可见光占43％。为此，人们研究了新型的光催化剂四氧化钒铋 （BiVO₄）及其掺杂体系来突破这一局限性。1964年，首次人工合成了单斜相褐忆妮矿衍生结构的四氧化钒铋 （BiVO₄）。此后，人们对BiVO₄的性质，应用及制备进行了越来越广泛的研究。BiVO₄是一种淡黄色的无机颜料，具有无毒、耐腐蚀性好、色泽明亮、铁弹性、光催化性及对环境友好等优良性能。

制备^[1]

四氧化钒铋 合成的方法已经有很多报道，如固相为了提高BiVO₄的光催化效率，很多研究者用不同的方法合成了各种形貌和结构的BiVO₄。

1. 共沉淀法

共沉淀法一般是按一定比例把可溶性的金属盐类配成溶液，然后通过加入合适的沉淀剂使金属离子同时沉淀下来以便形成均匀的沉淀物，为了形成较好的粒子，需要调节溶液的浓度和ｐH值等条件，然后再对沉淀物进行固液分离、洗涤、干燥以及加热分解而制得粉末产品。共沉淀方法有很多的优点，例如溶液成核快、易控制、样品纯度高、工艺设备简单，容易实现工业化生产，因此广泛用于制备窄带隙半导体光催化剂。

2. 水热合成法

水热合成法是指在密闭反应器（高压釜）中，高温高压条件下制备无机材料的一种软化学方法。此方法制备的粉体具有很多优点，如：结晶完好、分散性好、纯度高、粒度分布窄等，还可以通过调节反应条件来达到形貌可控。水热法目前广泛用于各种纳米颗粒的制备，其反应体系的pH值、温度、保温时间、前驱溶液浓度、溶剂组成、矿化剂（外加电解质）等因素都对纳米颗粒晶型、形貌、晶粒大小、比表面积等有重要影响。以Bi（NO₃）₃·5H₂O和NH₄VO₃为主要原料，用水热合成法制备出了BiVO₄。其制备过程如下：在室温下，将一定量的NH4VO3和NaOH，加蒸馏水配成溶液；同时取一定量的HNO3和Bi（NO3）3·5H2O，加入一定量的蒸馏水配成溶液。将这两种溶液充分混合，并用氢氧化钠调节ｐH值，然后将溶液放置于特氟龙衬里的不锈钢水热反应釜，恒温反应一段时间，自然冷却到室温，用无水乙醇洗涤。用Ｘ射线衍射、傅里叶红外、紫外－可见吸收光谱、比表面积等表征手段对制备的产品进行分析。并得出结论，pH值为9，反应时间7H，反应温度200℃为适宜的合成条件，通过水热合成的BiVO₄已生成理想的晶相，且达到适宜结晶水平，无须焙烧处理。

3. 溶胶－凝胶法

溶胶－凝胶法就是用含有高化学活性组分的化合物作为前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解，缩合等化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。以Bi（NO₃）₃·5H₂O，NH₄VO₃为主要原料，柠檬酸作为络合剂。按1∶2的摩尔比称取Bi（NO₃）₃·5H₂O和柠檬酸，同时将柠檬酸加入到预先用适量稀硝酸溶解的Bi（NO₃）₃·5H₂O溶液中，加入适量超纯水，并用氨水调节至所需ｐH值；按上述的摩尔比例称取NH₄VO₃和柠檬酸，溶于适量沸腾的超纯水中。按Bi∶V＝1∶1摩尔比混合上述两种溶液，用稀硝酸或氨水调节到所需pH值后，持续搅拌下80℃反应一段时间即可得到暗绿色溶胶。

主要参考资料

[1] 四氧化钒铋 的制备与应用研究进展

[2] 四氧化钒铋 研究新进展