Citation: Li-ye ZHAO, Ru-shun AN, Xin SHI, Guo-bo CHEN, Liang WANG, Chun-hu LI. The effect of Bi content on the photocatalytic performance of bismuth oxybromides[J]. Journal of Fuel Chemistry and Technology, 2022, 50(2): 250-256. doi: 10.1016/S1872-5813(21)60144-5
Bi含量对溴氧化铋光催化性能的影响
)是光催化降解RhB的主要活性物质。English
The effect of Bi content on the photocatalytic performance of bismuth oxybromides
is the main active species in photocatalytic degradation of RhB.-
Key words:
- BiOBr
- / Bi content
- / DFT
- / photocatalytic performance
-
光催化技术是一种高效利用太阳能的环境友好型新技术,光催化技术的核心是光催化剂的开发和应用[1, 2]。BiOBr光催化剂由于其物化性质稳定、成本低廉、具有一定的可见光响应能力,得到较为广泛的研究;但是由于BiOBr具有较宽的禁带宽度(2.60−2.80 eV),致其光生载流子传输效率低、复合率高;同时BiOBr较高的导带位置导致其还原能力较弱,限制了BiOBr参与一些特定光催化反应[3, 4]。
BiOBr 具有层状结构,其 Br 原子位于 [Bi2O2] 层之间。密度泛函理论(DFT)计算表明,BiOBr的能带由Br 4p、O 2p和Bi 6s轨道的杂化轨道组成。一般而言,BiOBr晶体中铋含量的增加会使导带最小值(CBM)位置上升,促进载流子转移[5, 6]。Bai等[7]使用Bi(NO3)3·5H2O和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为前驱体合成超薄Bi4O5Br2纳米片,该光催化剂具有合适的禁带宽度、价带和导带位置,同时较大的比表面积和孔径能够促进对CO2分子的吸附,这能够极大提升对CO2还原反应的选择性,在可见光下反应2 h后,CO生成量达到27.56 μmol/g,同时选择性超过99.5%。Mao等[8]利用离子溶液/水微乳法合成具有空心结构Bi3O4Br纳米微球,由于该材料的高暴露的(001)面和分级的空心微球直径,有效增强了电荷分离和转移效率,显现出较高的可见光光催化活性和光氧化选择性,能够在120 min内降解95.5%的4-叔丁基苯酚。
本研究制备了不同Bi含量的BiOBr、Bi3O4Br和Bi4O5Br2三种光催化剂。对光催化剂进行晶体结构和表面形貌的表征,分析了光催化剂的光电化学性能,同时使用MS软件计算光催化剂的禁带宽度(Eg)和态密度,利用光催化降解RhB来评价光催化剂的活性,表征结果结合自由基捕获实验探究光催化降解RhB的机理。
1. 实验部分
1.1 BiOBr与Bi3O4Br的制备方法
水热法合成BiOBr与Bi3O4Br [9]:将5 mmol的Bi(NO3)3·5H2O和5 mmol的KBr溶解在60 mL去离子水中,剧烈搅拌3 h。然后将NaOH溶液(2.5 mol/L)滴加到的悬浮液中,将pH值调节至11,将所得的溶液倒入100 mL具有聚四氟乙烯高压反应釜中。然后放入烘箱,在160 ℃下保持16 h,自然冷却至室温。减压过滤后用乙醇和去离子水洗涤三次,并在60 ℃下干燥24 h,最终得到淡黄色固态粉末Bi3O4Br。BiOBr的合成与Bi3O4Br基本相同,但是未添加NaOH溶液,BiOBr是白色粉末。
1.2 Bi4O5Br2的制备方法
溶剂热法合成Bi4O5Br2[10]:将6 mmol Bi(NO3)3·5H2O和3 mmol KBr溶解在80 mL乙二醇中,剧烈搅拌3 h。用2.5 mol/L NaOH水溶液将pH值调至11。将悬浮液转移到100 mL具有聚四氟乙烯内衬的高压釜中,并在160 ℃下保持16 h。最后,将收集的样品过滤并用去离子水和无水乙醇洗涤三次,然后在60 ℃下干燥24 h,得到深黄色固态粉末Bi4O5Br2。
1.3 催化剂的表征方法
光催化剂采用德国Bruke-D8 型X 射线衍射仪(XRD)进行晶体结构的分析;采用Thermo ESCALAB 250X(美国)X射线光电子能谱仪(X-Ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)表征材料的元素状态;采用日本Shimadzu公司U-3600紫外-可见分光光度计测试样品粉末的吸光性能;样品使用CEL-HXF300/CEL-HXUV300氙灯光源系统(北京中教金源科技有限公司)降解RhB;利用TU-1800紫外可见分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司)测量待测溶液的吸光度。
1.4 光催化剂活性的评价
通过光催化降解RhB溶液来评价BiOBr、Bi3O4Br和Bi4O5Br2的光催化活性。首先将100 mg光催化剂分散到100.0 mL RhB (10.0 mg/L)溶液中,然后用滤光片(λ > 420 nm)滤掉紫外光,暗吸附30 min达到吸附-解吸平衡,然后打开氙灯光源。每10 min从反应器中取出5 mL悬浮液离心分离,用紫外-可见分光光度计在554 nm波长下测定吸光度。
RhB的降解率为:
$ X=\frac{{C}_{0}-C}{{C}_{0}}\times 100\% $ (1) 式中,X为RhB的降解率,C0、C分别为RhB初始浓度和反应t时间后的浓度。
1.5 电化学实验方法
采用辰华CHI-604E型电化学工作站对光催化剂进行光电流密度曲线和Mott-Schottky曲线的测量;工作电极的制备:分割出1 cm × 1.5 cm的FTO玻璃,在去离子水、无水乙醇混合液中超声20 min后烘干。用绝缘纸胶带黏住导电玻璃导电面边缘,使导电面正好空出1 cm × 1 cm的面积。称量5 mg待测样品装在1 mL离心管中,加入15 μL 质量分数为5%萘酚溶液和150 μL无水乙醇,超声30 min,滴加15 μL混合液于FTO玻璃的导电面,自然晾干,备用。
光电流测试:采用三电极体系,以Ag/AgCl电极作为参比电极,Pt片作为对电极,使用待测样品制作FTO玻璃片作为工作电极,使用中教金源的 300 W氙灯作为光源,使用420 nm滤光片滤掉紫外光,电解池溶液为0.1 mol/L的Na2SO4溶液,在测量过程中保证可见光直接照射到工作电极导电玻璃片正面。
Mott-Schottky曲线测试:测试条件和方法与光电流密度测试相同,但不外加光源。
1.6 计算方法
基于密度泛函理论(DFT),使用CASTEP模块计算典型的BiOBr、Bi3O4Br和Bi4O5Br2的电子结构。交换关联势使用Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)的广义梯度近似来描述[11]。求解Kohn-Sham 轨道的部分占用采用Gaussian smearing method,并设置smearing width为0.1 eV,在考虑了自旋极化效应的情况下,选择了保守范数的赝势进行结构优化和电子计算。交互空间的最高交换设置为1 × 10−6 eV/atom。根据Monkhorst-Pack (MP)法,Brillouin zones采样k点间距为0.125 /Å[12]。能带结构是沿着Z (0, 0, 0.5),A (0.5, 0.5, 0.5),M (0.5, 0.5, 0),γ(0, 0, 0),Z (0, 0, 0.5),R (0, 0, 0.5),X(0, 0, 0)和γ(0, 0, 0)的高对称k点进行的。态密度根据MP法在Brillouin zones用间距0.04 /Å来计算。
2. 结果与讨论
2.1 BiOBr、Bi3O4Br和Bi4O5Br2的晶体结构和表面形貌
BiOBr、Bi3O4Br和Bi4O5Br2的晶型由XRD谱图得到,如图1所示。BiOBr的特征衍射峰与其标准卡片(JCPDS 73-2061)一致,随着在前驱体溶液中添加氢氧化钠溶液,峰强度显著减弱,同时衍射谱图与Bi3O4Br的标准卡片(JCPDS 37-0700)[13]一致。当前驱体中水溶液替换为乙二醇时,在衍射角2θ = 24.29°、29.54°、31.80°和 45.49°的峰依次对应Bi4O5Br2标准卡片(JCPDS 37-0699)中的(112)、(113)、(020)和(422)晶面[10]。三个特征衍射谱图中都没有出现杂质峰,说明合成出的BiOBr、Bi3O4Br和Bi4O5Br2具有较高的纯度。
采用XPS来探究Bi4O5Br2的化学组成和表面化学状态。图2(a)为Bi4O5Br2的XPS谱图,谱图显示存在Br、Bi和O三种元素。如图2(b)所示,Bi4O5Br2的Bi 4f可以分为158.3和163.6 eV处的两个峰,依次对应Bi 4f7/2 和 Bi 4f5/2,其中,158.3 eV处的峰对应的是与O成键的Bi原子,而163.6 eV处的峰归因于与两个O成键的Bi原子[14]。图2(c)中位于529和530.4 eV的峰对应的是Bi4O5Br2的O 1s,源自Bi4O5Br2中的晶格氧。此外,图2(d)中的67.7 eV的峰对应Br 3d3/2,68.7 eV的峰对应Br 3d5/2 [15]。因此,XPS结果证明了Bi4O5Br2已成功合成。
图 1
图 2
光催化剂的表面形貌影响其吸附性能及其表面活性位的暴露,进而影响光催化剂的活性。BiOBr、Bi3O4Br和Bi4O5Br2的表面形貌结构由图3得到,如图3(a)所示,纯BiOBr呈现出2D片状结构,并且片状BiOBr比较分散,未出现聚集现象;图3(b)表明,2D片状Bi3O4Br的厚度与面积都明显变小,形成了纳米微球,微球直径约为3 μm;图3(c)为Bi4O5Br2的SEM照片,由图可知,Bi4O5Br2也为纳米微球结构,并且微球直径减小,降至约400 nm。以上结果说明随着Bi含量的升高,材料的2D片状结构逐渐组成三维球形结构,其直径逐渐变小,Bi4O5Br2呈现出纳米球状结构。
2.2 BiOBr、Bi3O4Br和Bi4O5Br2的光电性能和能带结构
UV-vis DRS揭示BiOBr、Bi3O4Br和Bi4O5Br2三个催化剂的光吸收能力。如图4(a)所示,BiOBr的光吸收波长为440 nm,说明对可见光具有较小的响应能力。与BiOBr相比,Bi3O4Br和Bi4O5Br2的吸收区都发生红移。在可见光区域,Bi3O4Br和Bi4O5Br2的吸收边缘为454和510 nm,这表明随着Bi含量的增加,半导体的可见光响应能力增强。此外,通过Kubelka-Munk方程计算BiOBr、Bi3O4Br和Bi4O5Br2的Eg[16],见式(2)。
$ \alpha (hv) = A{(hv - {E_{\rm{g}}})^{\tfrac{n}{2}}} $ (2) 式中,α、hν和A是吸收系数、光子能量和常数,n取值为4,
图4(b)展示了BiOBr、Bi3O4Br和Bi4O5Br2的Tauc图,Eg能够通过(αhν)1/2与hν外推法得到,BiOBr、Bi3O4Br和Bi4O5Br2的Eg分别为2.70、2.41和2.21 eV。这说明三种光催化剂都具有可见光响应能力,并且Bi4O5Br2具有最佳可见光吸收能力。
图 3
图 4
图5(a)为BiOBr、Bi3O4Br和Bi4O5Br2三种物质相对于标准氢电极(NHE)的导带电位,分别为0.25、−0.08 和−0.32 eV。因此,可得BiOBr、Bi3O4Br和Bi4O5Br2的价带位置分别为2.95、2.33和1.89 eV.
图 5
图5(b)为BiOBr、Bi3O4Br和Bi4O5Br2的能带图。由图可知,Bi3O4Br和Bi4O5Br2的Eg明显小于的BiOBr,同时Bi含量的升高也引起导带位置向低能级方向移动,光催化剂还原能力得到了提高。
为了评价光催化剂光生载流子的分离效率[17],BiOBr、Bi3O4Br和Bi4O5Br2光催化剂的瞬态光电流响应曲线(i-t曲线),如图6所示。与BiOBr和Bi3O4Br相比,Bi4O5Br2的电流强度明显升高。光生空穴-电子分离能力与光电流强度呈正相关,此结果表明,Bi4O5Br2具有更有效的电荷分离能力。此外,随着时间的延长,光电流强度逐渐减小,这表明光生电子-空穴对的重新组合和分离过程之间建立了平衡。
图 6
图 7
为了进一步揭示Bi含量对光催化剂的光学性质影响,采用DFT对光催化剂的电子结构进行计算。如图7所示,所有光催化剂的电子带结构都投影在第一个Brillion区域,所以BiOBr、Bi3O4Br和Bi4O5Br2都是间接带隙半导体。BiOBr、Bi3O4Br和Bi4O5Br2的Eg为2.73、2.42和2.24 eV,与实验结果基本一致。同时,三种半导体的态密度组成类似。BiOBr、Bi3O4Br和Bi4O5Br2的价带主要由O 2p和Br 4p占据,导带由Bi 6p占据着,相对于BiOBr,Bi3O4Br和Bi4O5Br2导带上的Bi 6p的密度明显较高;价带上的O 2p和Br 4p态的密度也比BiOBr高很多 [18]。
2.3 BiOBr、Bi3O4Br和Bi4O5Br2光催化性能
在可见光照射下降解RhB来评价合成样品的光催化活性。由图8可以看出,无光催化剂时,直接照射RhB溶液,RhB浓度未发生变化,表明 RhB的自然降解很少。光照开始后,在BiOBr、Bi3O4Br和Bi4O5Br2光催化下,RhB的浓度均明显降低。对于BiOBr光催化剂,可见光照射1 h后,RhB的降解效率为50%。Bi3O4Br在暗室下30 min吸附了约12%,光照60 min后降解效率约为92%。对于Bi4O5Br2,在60 min的可见光照射下,RhB的光催化降解效率达到100%。因此,光催化剂的降解能力与其光响应以及禁带宽度相对应,禁带宽度越小的光催化剂,光催化降解性能越好。由于RhB的降解反应为一级动力学反应[19],该反应符合公式:
$ -\mathrm{ln}\frac{{C}_{0}}{C}=kt $ (3) 式中,k为反应的动力学常数,C0为RhB的初始浓度,C为t时刻RhB的浓度。如图9所示,对该反应进行线性拟合,拟合结果如表1所示。从表中可以得出,Bi4O5Br2的反应动力学常数最大,是BiOBr的6.4倍。
2.4 BiOBr、Bi3O4Br和Bi4O5Br2光催化机理
光催化降解污染物的活性物质是空穴(h+)、超氧自由基(·
)和羟基自由基(·OH)。为了阐明光催化降解的反应机理,将草酸铵(AO)、对苯醌(BQ)和异丙醇(IPA)分别作为捕获剂添加到光催化系统中。其中,AO能够捕获h+,BQ能够捕获·${\rm{O}}_2^- $ ,IPA能够捕获·OH[20]。如图10所示,三种体系中加入IPA、AO和BQ都会抑制光催化反应;其中,当添加BQ时,RhB的降解都受到强烈抑制,这表明·${\rm{O}}_2^- $ 是光催化降解RhB的主要活性物质。${\rm{O}}_2^- $ 图 8
图 9
表 1
Sample BiOBr Bi3O4Br Bi4O5Br2 k/min−1 0.010 0.0367 0.0642 R2 0.979 0.991 0.982 图 10
3. 结 论
本研究通过水热法和溶剂热法成功合成了BiOBr、Bi3O4Br和Bi4O5Br2三种光催化剂。三种光催化剂的Bi元素含量的不同引起了材料物理和光学性质的变化。XRD与SEM表征表明,BiOBr、Bi3O4Br和Bi4O5Br2的 2D片状结构的厚度和面积也逐渐减小,并不断聚集。DFT计算表明,三种光催化剂的电子结构随Bi组分含量的升高会使光催化剂导带位置向低能级方向移动,引起半导体禁带宽度变小,减少光生载流子复合,增强对RhB光催化降解的活性。Bi4O5Br2光催化剂降解效果最好,能够在50 min内将RhB完全降解。
#: 共同第一作者
-
-
[1]
VAYA D, SUROLIA P K. Semiconductor based photocatalytic degradation of pesticides: An overview[J]. Environ Technol Innovation,2020,20:101128. doi: 10.1016/j.eti.2020.101128
-
[2]
IKREEDEEGH RR, TAHIR M. A critical review in recent developments of metal-organic-frameworks (MOFs) with band engineering alteration for photocatalytic CO2 reduction to solar fuels[J]. J CO2 Util,2021,43:101381. doi: 10.1016/j.jcou.2020.101381
-
[3]
胡庆松. 卤氧铋复合催化剂构建及其增强光催化去除水中污染物研究[D]. 上海: 华东师范大学, 2020.HU Qing-song. Construction of bismuth oxyhalide composite catalysts with enhanced photocatalytic activity for the removal of contaminants[D]. Shanghai: East China Normal University, 2020.
-
[4]
SUN J J, LI X Y, ZHAO Q D, LIU B J. Ultrathin nanoflake-assembled hierarchical BiOBr microflower with highly exposed {001} facets for efficient photocatalytic degradation of gaseous ortho-dichlorobenzene[J]. App Catal B: Environ,2021,281:119478. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119478
-
[5]
MAO D J, DING S S, MENG L J, DAI Y X, SUN C, YANG S G, HE H. One-pot microemulsion-mediated synthesis of Bi-rich Bi4O5Br2 with controllable morphologies and excellent visible-light photocatalytic removal of pollutants[J]. App Catal B: Environ,2017,207:153−165. doi: 10.1016/j.apcatb.2017.02.010
-
[6]
TIAN H D, CHENG R R, LIN M H, LI P, LV Y H, RAN S L. Oxygen-vacancy-rich ultrathin BiOBr nonosheets for high-performance supercapacitor electrodes[J]. Inorg Chem Commun,2020,118:108018. doi: 10.1016/j.inoche.2020.108018
-
[7]
BAI Y, YANG P, WANG L, YANG B, XIE H Q, ZHOU Y, YE L Q. Ultrathin Bi4O5Br2 nanosheets for selective photocatalytic CO2 conversion into CO[J]. Chem Eng J,2019,360:473−482. doi: 10.1016/j.cej.2018.12.008
-
[8]
Mao D J, Yuan J L, Qu X L, SUN C, YANG S G, HE H. Size tunable Bi3O4Br hierarchical hollow spheres assembled with {0 0 1}-facets exposed nanosheets for robust photocatalysis against phenolic pollutants[J]. J Catal,2019,369:209−221. doi: 10.1016/j.jcat.2018.11.016
-
[9]
ZHANG H G, WANG W T, FENG LJ, LI C H WANG L. Effect of hydrothermal pH value on composition and morphology of bismuth oxybromide and their photocatalytic performance[J]. J Fuel Chem Technol,2019,47(5):582−589. doi: 10.1016/S1872-5813(19)30026-X
-
[10]
ZHANG W B, XIAO X, WU Q F, FAN Q, ZAHNG F C. Facile synthesis of novel Mn-doped Bi4O5Br2 for enhanced photocatalytic NO removal activity[J]. J Alloys Compd,2020,826:154204. doi: 10.1016/j.jallcom.2020.154204
-
[11]
ZHANG Y, YANG W. Comment on ''generalized gradient approximation made simple''[J]. Phys Rev Lett,1998,80(4):891−891. doi: 10.1103/PhysRevLett.80.891
-
[12]
MONKHORST H J, PACK J D. Special points for brillonin-zone integrations[J]. Phys Rev B,1976,13(12):5188−5192. doi: 10.1103/PhysRevB.13.5188
-
[13]
LI K L, LEE WW, LU CS, DAI Y M, CHOU S Y, CHEN S L, LIN H P, CHEN C C. Synthesis of BiOBr, Bi3O4Br, and Bi12O17Br2 by controlled hydrothermal method and their photocatalytic properties[J]. J Taiwan Inst Chem Eng,2014,45(5):2688−2697. doi: 10.1016/j.jtice.2014.04.001
-
[14]
JIN X L, LV C, ZHOU X, XIE H Q, SUN S F, LIU Y, MENG Q Q, CHEN G. A bismuth rich hollow Bi4O5Br2 photocatalyst enables dramatic CO2 reduction activity[J]. Nano Energy,2019,64:103955. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.103955
-
[15]
WANG X K, LIU Y X, WANG J N, ZHANG J M, HUANG Y H, WEI X M. Theoretical investigation of the photocatalytic mechanism of single Au adsorption on the Bi4O5Br2 (101) surface[J]. Chem Phys Lett,2020,757(6):137851.
-
[16]
GUO N N, CAO Y L, RONG Y L, JIA D Z. Green synthesis of BiOBr modified Bi2O2CO3 nanocomposites with enhanced visible-responsive photocatalytic properties[J]. RSC Adv,2016,6(108):106046. doi: 10.1039/C6RA22385K
-
[17]
YANG P, WANG J C, YUE G Z, YANG R Z, ZHAO P X, YANG L J, ZHANG X C, ASTRUC D. Constructing mesoporous g-C3N4/ZnO nanosheets catalyst for enhanced visible-light driven photocatalytic activity[J]. J Photoch Photobio A,2020,388:112169. doi: 10.1016/j.jphotochem.2019.112169
-
[18]
LI R, XIE F X, LIU J X, WANG Y W, WANG Y F, ZHANG X C, FAN C M. Synthesis of Bi4O5Br2 from reorganization of BiOBr and its excellent visible light photocatalytic activity[J]. Dalton Trans,2016,45:9182−9186. doi: 10.1039/C6DT00997B
-
[19]
KANAGARAI T, THIRIPURANTHAGAN S. Photocatalytic activities of novel SrTiO3-BiOBr heterojunction catalysts towards the degradation of reactive dyes[J]. App Catal B: Environ,2017,207:218−232. doi: 10.1016/j.apcatb.2017.01.084
-
[20]
AO Y H, WANG K D, WANG P F, WANG C, HOU J. Synthesis of novel 2D-2D p-n heterojunction BiOBr/La2Ti2O7 composite photocatalyst with enhanced photocatalytic performance under both UV and visible light irradiation[J]. App Catal B: Environ,2016,194:157−168. doi: 10.1016/j.apcatb.2016.04.050
-
[1]
-
表 1 三种光催化剂的一级反应动力学参数
Table 1. First-order reaction kinetic parameters of three samples
Sample BiOBr Bi3O4Br Bi4O5Br2 k/min−1 0.010 0.0367 0.0642 R2 0.979 0.991 0.982 -
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