rGO_BiVO_%284%29复合光催化剂的制备与性能研究.pdf

陶瓷含報Vol.44,No.3第44卷，第3期2023年6 月D0I:10.13957/ki.tcxb.2023.03.017Journalof CeramicsJun.2023rGO/BiVO4复合光催化剂的制备与性能研究杜英和，李文涛，李家科，刘欣，江和栋，郭平春，朱华，王艳香(景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院，江西景德镇33340 3)摘要：先采用改性Hummers法制备氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)，然后以氧化石墨烯、硝酸铋和偏钒酸铵等为主要原料，采用水热法合成还原氧化石墨烯/钒酸铋(rGO/BiVO4)复合光催化剂。采用XRD、SEM、ED S、U V-V IS和BET等测试技术研究了试样的物相组成、微观形貌、元素分布、光吸收性能和比表面积。以亚甲蓝溶液(10 mgL-)为模拟污染物，测试了试样的光催化性能。结果表明，rGO可以提高复合光催化剂的吸附性能和调控带隙宽度，从而提高光催化性能。当rGO复合量为1wt.%、水热温度为16 0 C、水热时间为10 h时，合成的rGO/BiVO4具有最佳光催化性能，在光照2 40 min后，对亚甲蓝的降解率达9 1.1%，比BiVO4的光催化效率高2 6.7%。关键词：rGO/BiVO4；物相组成；微观形貌；光催化性能中图分类号：TQ174.75文献标志码：A文章编号：10 0 0-2 2 7 8(2 0 2 3)0 3-0 5 5 6-0 7Preparation and Photocatalytic Performance of rGO/BiVO4Composite PhotocatalystDU Yinghe,LI Wentao,LI Jiake,LIU Xin,JIANG Hedong,GUO Pingchun,ZHU Hua,WANG Yanxiang(School of Materials Science and Engineering,Jingdezhen Ceramic University,Jingdezhen 333403,Jiangxi,China)Abstract:Graphene oxide(GO)was prepared by using the modified Hummers method,with which rGO/BiVO4 compositephotocatalyst was then synthesized by using hydrothermal method,together with bismuth nitrate and ammonium metavanadateas the main raw materials.Phase composition,microstructure,element distribution,light absorption properties and specificsurface area of the samples were studied by using XRD,SEM,EDS,UV-VIS and BET techniques.Photodegradationperformance of the samples was studied by using methylene blue solution(10 mg:L-l)as a simulated pollutant.Due to theincorporation of rGO,light absorption of rGO/BiVO4 was increased and its band gap was adjusted,thus leading toimprovement in photocatalytic ability.When the content of rGO is 1 wt.%,after hydrothermal reaction at 160 C for 10 h,thesynthesized rGO/BivO4 exhibited optimal photocatalytic performance,with degradation rate of methylene blue solutionreaching 91.1%under illumination for 240 min.Photocatalytic efficiency is increased by 26.7%as compared with that of thepure BivO4.Key words:rGO/BiVO4;phase composition;micromorphology;photocatalytic performance0引言近年来，采用光催化材料处理废水对缓解环境污染和能源短缺两大问题有着一定的应用前景，受到了人们的广泛关注1-2。单斜相钒酸铋收稿日期：2 0 2 2-12-14。修订日期：2 0 2 3-0 3-0 6。基金项目：江西省重点研发计划项目(2 0 18 1BBE58004)；景德镇市科技计划项目(2 0 2 2 4GY008-11)；大学生创新创业训练计划项目(S202210408012)。通信联系人：李家科(19 7 3-)，男，博士，教授。(BiVO4)的禁带宽度为2.4eV2.5eV，可以利用太阳光中的可见光对污染物进行有效地催化氧化，且具有稳定性好、无毒等特性。但是，由于 BiVO4对污染物的吸附能力较差、较高的电子和空穴复合率，以及光生电子一空穴对迁移速度慢，使得其光Received date:2022-12-14.Revised date:2023-03-06.Correspondent author:LI Jiake(1973-),Male,Ph.D.,Professor.E-mail:第44卷第3期催化效果并不可观，限制了其实际应用3-4。为了提高BiVO4的光催化活性,通常采用贵金属沉积2、离子掺杂5 和半导体复合6-7 等手段对钒酸铋进行改性。如Zhang等8 用Eu掺杂钒酸铋，通过水热法合成了Eu/BiVO4复合光催化剂。结果表明，在BiVO4晶格中引人Eu会引起晶体物相和光学性质的显著变化，当Eu掺杂摩尔分数为5%时，合成的Eu/BiVO4试样具备最佳的光催化效果，在90min内对亚甲蓝降解率达9 0.1%。石墨烯由包含杂化碳原子的二维晶体结构组成，其拥有快速的电子迁移速率(15 0 0 0 cmv-1.sl)9以及优良的导电效率(10 S-mi)10，且石墨烯还具有高的比表面积(理论上高达2.6 10.gl)。由于其具有优异的导电性、高吸附等性能，因而在电子、信息、光催化等领域具有重要应用价值12-13。本文以采用改性 Hummers 法制备氧化石墨烯(Graphene Oxide，G O)，然后，以水热法制备rGO/BiVO4光催化剂，对合成试样的物相组成、微观形貌和光催化性能及其机理等进行研究。1实验1.1实验原料及试剂实验原料与试剂包括微晶石墨、KMnO4、浓H2SO4、浓HCl、H 2 O 2、K 2 S2 O：、P2 O s 、Bi(NO3)3:5H2O、NH 4V O 3、Na O H、H NO 3、无水乙醇和氨水。上述原料和试剂均为分析纯，实验用水为去离子水。1.2试样制备采用改性Hummers法制备GO，具体制备工Bi(NO:);5H,O solution杜英和等：rGO/BiVO4复合光催化剂的制备与性能研究NH,VO,solutionModifiedHummersMixing557艺流程如下：准确量取9.7 mL浓H2SO4加人到500mL烧杯中，再加人1.2 g微晶石墨，在搅拌条件下依次加入2 gK2S20：和2 gP205，并将烧杯置于8 0 水浴锅中搅拌4.5 h，再将烧杯置于冰水浴中依次缓慢加人 5 0 mL浓 HzSO4和 6 gKMnO4，此时混合溶液呈墨绿色。随后，将水浴温度升至35 并搅拌2 h，缓慢加入10 0 mL去离子水并搅拌2 h。最后，在搅拌条件下加人2 8 0 mL去离子水，同时，滴加适量的H2O2直至溶液呈亮黄色。对上述溶液进行过滤，并用5%稀盐酸和去离子水多次洗涤过滤物，直至滤液的pH值接近中性，将过滤物冷冻干燥，即可得到GO粉体。称取适量GO粉体置于烧杯，并添加适量的去离子水，超声30min即得到分散均匀的GO悬浊液。rGO/BiVO4粉体制备工艺流程如图1所示，具体制备流程如下：首先，将4.8 5 gBi(NO3)35H2O和1.17 gNH4VO3分别溶于适量HNO3溶液和NaOH溶液，并搅拌至均匀溶液，随后将两者溶液混合得到混合溶液。然后，加人一定量GO悬浊液于上述混合溶液中，并按照合成复合粉体中rGO 含量的 0 wt.%、0.5 w t.%、1.0 w t.%、1.5 v%、2.0wt.%进行添加，持续搅拌30 min，同时调节溶液的pH值至中性，将混合溶液在置于超声清洗器中均化30 min后得到前驱体溶液。随后，在反应釜内胆中加人适量前驱体溶液，将其放置于16 0 下反应10 h，反应结束后冷却至室温，去除上层清液，用去离子水和无水乙醇反复冲洗沉淀物至中性。最后，在6 0 下干燥研磨后即为试样。Hydrothermal reaction16010 hDryingPrecursor()MixingPrecursor()GO suspensionrGO/BiVO4powder图1rGO/BiVO4制备工艺示意图Fig.1 Schematic diagram of preparation process of rGO/BiVO4陶瓷含報2023年6 月5581.3催化剂表征使用X射线衍射仪(D8-Advance型)分析试样的物相组成，使用扫描电子显微镜(JSM-6700LV型)及其附带的能谱仪观察试样的微观形貌和分析试样的元素分布，使用UV-VIS分光光度计(A560型)测定试样的吸光性能，使用全自动物理化学吸附仪(ASAP-2000型)分析试样的比表面积，使用数显四点探测仪(ST-2258A型)检测rGO的电导率，使用UV-VIS分光光度计(7 2 1型)检测亚甲蓝溶液的吸光度。1.4光催化性能测试实验在自制测试装置中进行，采用高压汞灯(功率为12 5 W、主波长为36 5 nm)为模拟光源，亚甲蓝溶液(浓度10 mgL-l)为模拟污染物。先通过拟合得出亚甲蓝溶液吸光度与浓度的关系曲线，然后对测得吸光度进行浓度换算，依照公式(1)计算亚甲蓝的降解率：(1)D=(Co-Ct)/Cox100%式中：Co为初始浓度(mgL-)；Ct 为降解时间t(min)的浓度(mgL-l)。2结果与讨论2.1物相分析制备BiVO4以及复合不同量rGO试样的XRD图谱如图2 所示。从图中可看出，合成试样的衍射峰与标准卡片(JCPDSNo.14-0688)相吻合，说明合成的试样为单斜晶相BiVO4。单斜相BiVO4的特征衍射峰峰强较大、峰型尖锐，说明合成试样具有良好的结晶度和较为完整的晶体结构。此外，从图2 中还可以看出，对于复合不同量rGO的复合粉体(rGO/BiVO4)的XRD图谱，与纯BiVO4的XRD图谱没有明显区别，这说明rGO的引人并没有改变BiVO4的晶体结构。此外，复合粉体的XRD图谱中没有出现rGO衍射峰，这可能是由于rGO添加量较少。2.2微观形貌及元素组成分析图3为合成试样的SEM照片。从图3(a)中可以看出，合成的rGO呈现出薄如蝉翼般的片状结构，且有些许褶皱。从图3(b)中可以看出，合成的纯BivO4为椭球状颗粒,平均粒径约为0.7 m。合成rGO/BiVO4粉体形貌如图3(c)和3(d)所示，从低倍和高倍的SEM照片中都可以看出，BiVO4椭球状颗粒较均匀分散在rGO片层的表面。这是由于BiVO4颗粒容易与氢键或以静电吸附的方式结合在rGO表面的含氧官能团上14-15,这样可以提