BiOX制备及其光催化降解甲硝唑的综合化学实验设计_郝杰.pdf

2023 年 1 月云南化工Jan 2023第 50 卷第 1 期Yunnan Chemical TechnologyVol.50，No.1doi:10.3969/j.issn.1004-275X.2023.01.44BiOX 制备及其光催化降解甲硝唑的综合化学实验设计*郝杰1，李春梅1，崔红2，张艳峰1(1.河北师范大学化学与材料科学学院，国家级实验教学示范中心，河北省无机纳米材料重点实验室，河北石家庄050024;2.河北交通职业技术学院，河北石家庄050035)摘要:采用溶剂热法制备了卤氧铋 BiOX(X=F，Cl，Br，I)，利用 XD、SEM、紫外 可见吸收光谱 UV vis DS 对催化剂 BiOX 进行表征和光催化降解测试。实验包括了无机合成、仪器分析和测试等基本操作，并运用基础理论分析催化降解的动力学特征，可以加深学生对理论知识点的认识和应用，提高学生的综合操作技能，增强创新能力和创新意识。关键词:综合实验;BiOX;光催化，甲硝唑中图分类号:G642文献标识码:A文章编号:1004 275X(2023)01 0161 04Comprehensive Experimental Design for Preparation of BiOX and itsPhotocatalytic Degradation of Metronidazole*Hao Jie1，Li Chunmei1，Cui Hong2，Zhang Yanfeng1(1 National Demonstration Center for Experimental Chemistry Education，Hebei Key Laboratory of Inorganic Nanomaterials，College of Chemistry and Material Science，Hebei Normal University，Shijiazhuang 050024，China;2 Hebei Jiaotong Vocation and Technical College，Shijiazhuang 050035，China)Abstract:Bismuth oxyhalide BiOX(X=F，Cl，Br，I)was prepared by solvothermal method，and the catalyst BiOX was characterized by XD，SEM，UV vis DS and photocatalytic degradation test The results showed that the photocatalytic degradation of metronidazole for BiOCl was thebest The experiment includes basic operations such as inorganic synthesis，instrumental analysis and testing，and uses basic theory to analyze the ki-netic characteristics of catalytic degradation It is conducive to improving studentscomprehensive experimental operation skills，deepening the un-derstanding and application of theoretical knowledge points，and enhancing scientific research literacy and sense of exploration and innovationKey words:comprehensive chemical experiment;BiOX;photocatalysis;metronidazole在工业生产和日常生活中，有机物的应用极其广泛，但造成的环境污染也日益严重，随着环保排放要求的提高，对有机物污染物的减排处理受到重视。近年来利用太阳能的光催化技术解决环境的污染问题，已成为热点研究课题1 2，因此光催化剂的合成和研究应用得到快速发展。初期国内外研究人员发现的许多金属氧化物具有优异的催化性能，例:ZnO、TiO2、Cu2O、NiO、Co3O4、Fe3O4等，但这些传统的催化剂存在光子吸收效率差、光生电子 空穴对容易复合、电荷载流子转移缓慢等问题，光催化效率有待提高，因此急需开发研制新型高效催化剂材料。其中有一类重要的 V VI VII 三元半导体材料，由于具有特殊的层状晶体结构，在晶体内部形成一个固有的静电场，有利于光生电子 空穴对的分离，从而提高光催化性能3。利用三元半导体 BiOX 的光催化性能在环境污染物的治理、吸附、光催化等领域都有重要的应用前景。光催化也是物理化学的分支之一，为了让学生对新型三元复合光催化剂 BiOX 有更全面综合的了解，加深对光催化理论及应用的了解，有必要让本科生对该领域的科研前沿进展有一定的认识。结合前期科研课题研究和后续实验教学的探索，设计了新型三元半导体卤氧化铋 BiOX(X=F，Cl，Br，I)光催化降解甲硝唑综合实验。本实验采用溶剂热法分别制备了卤氧铋 BiOX(X=F、Cl、Br、I)系列催化剂，通过模拟可见光下测试了 BiOX 系列样品对甲硝唑的光催化降解性能，并对降解效果进行了分析探讨;内容涵盖BiOX 三元复合物 BiOX 的无机合成、结构、形貌表征和催化降解的分析测试等多方面知识，使学生将理论知识与实践相结合，分析探究 BiOX 催化分解甲硝唑的动力学因素。该实验有利于提高学生的综合能力和和创新意识，培养分析判断和处理问题的能力。1实验1.1主要试剂五水合硝酸铋(天津市瑞金特化学品有限公司)，乙二醇(天津恒兴化学试剂制造有限公司)，氟化钠(天津市恒兴化学试剂有限公司)，溴化钾、碘化钾、氯化钾(天津市大茂化学试剂厂)，甲硝唑(阿拉丁试剂上海有限公司)，试剂均为分析纯，溶液均去离子水配制。1.2主要仪器紫外可见分光光度计(T6 新世纪型，北京普析通用公司)、X 射线衍射仪 XD(Bruker D8，德国布鲁克公司)、扫描电子显微镜 SEM(S 4800，日本日立公 司)、紫 外 可 见 漫 反 射 仪 UV Vis DS1612023 年 1 月云南化工Jan 2023第 50 卷第 1 期Yunnan Chemical TechnologyVol.50，No.1(Cary5000，美 国 安 捷 伦 公 司)、分 析 天 平(FA1204B，上 海 天 美 公 司)、恒 温 磁 力 搅 拌 器(78HW 1 型，常州荣华仪器公司)、超声波清洗器(KQ 25DE，昆山市超声仪器公司)、电热恒温鼓风干燥箱(DGH 9070A，北京比奥德电子公司)、氙灯(HSX UV300，北京纽比特科技公司)、高压反应釜(内腔 4 cm，高度 8 cm 定制)、自制避光箱(不锈钢长方体 60 50 75)、微孔滤膜(孔径0.22 um 25 mm，上海新亚净化器件厂)。1.3BiOX(X=F，Cl，Br，I)合成采用溶剂热法制备 BiOX(X=F，Cl，Br，I)。精确称取 4 份 3 mmol Bi(NO3)35H2O(1.4552 g)于烧杯 A1、A2、A3、A4 中，向其中各添加25.00 mL乙二醇，在室温下搅拌 30 min;精确称取 3 mmolNaF/KCl/KBr/KI(0.1260 g/0.2237 g/0.3570 g/0.4980 g)分别放于烧杯 B1、B2、B3、B4 中，分别向其中各添加 25.00 mL H2O，室温搅拌，直至粉末溶解为透明溶液。在搅拌条件下，将烧杯 A1，A2，A3，A4中的溶液依次分别逐滴滴入对应的烧杯 B1、B2、B3、B4 中，在室温下超声 0.5 h 后，将其转移至高压反应釜中，控制条件 180，5 h。自然冷却至室温，蒸馏水清洗 3 次，过滤，干燥收集，分别制得BiOF/BiOCl/BiOBr/BiOI 粉末，研磨备用。1.4催化剂表征通过 X 射线衍射仪 XD，辐射源为 Cu 靶 K1 辐射线，扫描范围 5 80，测定样品的物相;通过扫描电子显微镜 SEM 观察样品的微观形貌结构;通过紫外_ 可见漫反射仪 UV Vis DS，以硫酸钡为标准样品进行基线的调整，扫描范围 200 800 nm，测不同样品的光吸收性能。从物相、结构、光吸收性能等方面对光催化性能进行机理分析。1.5光催化性能测试为了评估 BiOX(X=F，Cl，Br，I)的光催化活性，通 过 测 试 甲 硝 唑 的 降 解 率 来 量 化 表 示。取100 mL、浓 度 为 10 mg/L 的 甲 硝 唑 溶 液 于 150 200 mL 烧杯中，使用 HCl 溶液将 pH 值调至 3.64，向其中加入 0.08 g 的样品催化剂，避光超声 30 min，使整个体系达到吸附 脱附平衡，然后将烧杯移到自制避光箱中，调整好位置，开启氙灯光源、恒温磁力搅拌器，计时开始，并关闭避光箱门。在光照的过程中，每隔 15 min 取出约 8 mL 的悬浮液于 15 mL 离心管中，离心 3 min，使用孔径为 0.22 m 的微孔过滤膜过滤，将滤液倒入比色皿中，在甲硝唑的最大吸收波长(320 nm)处用紫外可见分光光度计测量吸光度。以催化剂的降解率来表示其光催化性能5:=(C0C)/C0100%=(A0A)/A0100%(1)其中 为溶液吸光度的变化率;C0和 C 分别表示甲硝唑溶液初始浓度和 t 时刻的浓度;A0和 A 分别表示甲硝唑溶液初始吸光度和 t 时刻的吸光度。图 1自制避光箱和降解实验装置示意图2结果分析与讨论2.1XD 表征图2 为 BiOF、BiOCl、BiOBr、BiOI 的 XD 图谱。BiOX(X=F，Cl，Br，I)分别与标准 BiOF(JCPDS:861648)、BiOCl(JCPDS:06 0249)、BiOBr(JCPDS:090393)、BiOI(JCPDS:10 0445)样品 XD 特征衍射峰位置基本一致，没有观察到其他特征衍射峰，证明所制备的样品均为纯的 BiOX(X=F，Cl，Br，I)。图 2BiOX(X=F，Cl，Br，I)的 XD 图谱2.2SEM 表征图 3(a)(d)分别为 BiOF、BiOCl、BiOBr、BiOI 的 SEM 图像。BiOF、BiOCl 和 BiOBr 为不规则纳米片状结构，没有明显的团聚规律;BiOI 为花状微球结构。通过观察图 3(a)(c)，从纯 BiOF、BiOCl到 BiOBr，单个片状的尺寸逐渐增大，其纳米片尺寸分别平均约为 50 nm，100 nm，150 nm。BiOI 纳米粒子是由大量均匀的纳米片紧密组装成的花状分层微球，微球直径约为2 m。比较以上样品催化剂的纳米片紧密团聚度，BiOCl 的纳米片分散较为均匀，团聚2612023 年 1 月云南化工Jan 2023第 50 卷第 1 期Yunnan Chemical TechnologyVol.50，No.1较少，这就使得甲硝唑与催化剂更为充分地接触，为催化降解反应提供了更多的反应空间。2.3UV vis DS 分析图 4(a)显示所制备样品 BiOX(X=F，Cl，Br，I)的紫外漫反射(UV vis DS)光谱图。BiOF的最大吸收波长大约在300 nm 处，只能响应波长小于400 nm 的紫外光区，不能响应可见光;BiOCl、BiOBr在可见光区有吸收，而 BiOI 在可见光区表现出较强的光吸收能力。根据 Kubelka Munk 公式计算样品BiOX(X=F，Cl，Br，I)的禁带宽度6:hv=A(hv Eg)n/2(2)式中，为吸光度;h 为普朗克常量;v 为频率;A 为系数;Eg为禁带宽度。BiOX