外文翻譯（中文）--在可見(jiàn)光下具有高催化活性的bi2wo6納米晶體

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯</p><p>　　學(xué)院 (系)： 化工學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 化學(xué)工程與工藝 </p><p>　　姓 名： </p><p>　

2、　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　外文出處： J. Phys. Chem. C 2008, 112, </p><p>　　10407–10411 </p><p>　　附 件：1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 </p><p>　　注：請(qǐng)將

3、該封面與附件裝訂成冊(cè)。</p><p>　　在可見(jiàn)光下具有高催化活性的Bi2WO6納米晶體</p><p>　　商蒙, 王文忠, 孫松梅, 周林,張玲</p><p>　　（國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高性能陶瓷和超細(xì)微觀組織,上海陶瓷研究所，中國(guó)科學(xué)院）</p><p><b>　　摘要</b></p><p&g

4、t;　　利用水熱法合成了粒徑為30nm的可見(jiàn)光催化劑Bi2WO6。研究了pH值和水熱時(shí)間對(duì)Bi2WO6納米片活性的影響。水熱法制備的Bi2WO6納米晶的催化活性是固相反應(yīng)所得的Bi2WO6的催化活性的8-10倍。Bi2WO6能在可見(jiàn)光下降解染料羅丹明B，即使在簡(jiǎn)易的熒光燈激發(fā)下，納米Bi2WO6也表現(xiàn)出高性能的催化活性。</p><p><b>　　引言</b></p><

5、;p>　　自從1972年Fujishima和本田發(fā)現(xiàn)TiO2電極能光催化分解水后，光催化劑應(yīng)用于太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化，半導(dǎo)體光觸媒降解污染受到廣泛的關(guān)注。由于Bi2WO6的化學(xué)穩(wěn)定性高，催化活性高，無(wú)毒且價(jià)格比二氧化鈦便宜，因此成為了比較流行的環(huán)境凈化光催化劑。TiO2的帶隙為3.2ev,它只吸收太陽(yáng)光中4%的紫外光（λ<420nm）。Aurivillius等發(fā)現(xiàn)通式Bi2An-1BnO3n+3 (A 為Ca, Sr, Ba, Pb

6、, Bi,Na, K, B為Ti, Nb, Ta, Mo, W, Fe)的化合物具有獨(dú)特的性質(zhì)及潛在的應(yīng)用價(jià)值。在所有的化合物中，當(dāng)n=1時(shí)為Bi2WO6，其組成最簡(jiǎn)單，因其能解決能源與環(huán)境問(wèn)題而受到關(guān)注，朱與于的團(tuán)隊(duì)報(bào)道了Bi2WO6的納米片和納米粒的制備。并且研究了它們的催化活性，研究結(jié)果顯示Bi2WO6是優(yōu)異的催化劑。</p><p>　　眾所周知，光催化活性與催化劑的直徑大小，比表面積，電子-空穴的分離效

7、率等密切相關(guān)。因此控制可見(jiàn)光催化劑Bi2WO6的微觀結(jié)構(gòu)以提高它的催化性能具有較高的研究?jī)r(jià)值。</p><p>　　以檸檬酸鉍銨Bi(NH3)2C6H7O7 ·H2O,名為CBN)為原料，利用水熱法制備高活性的納米Bi2WO6。這種可見(jiàn)光催化劑Bi2WO6在可見(jiàn)光（氙燈(λ>420nm，500W）或U型熒光燈（433nm<λ<700nm，8W）)照射下分解羅丹明B，這表明Bi2WO6有

8、優(yōu)異的可見(jiàn)光催化性能。</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)部分</b></p><p>　　所有的化學(xué)試劑都是由上海化學(xué)有限公司生產(chǎn)，將Bi(NH3)2C6H7O7 ·H2O與Na2WO4 · 2H2O以摩爾比為2：1的比例混合，將混合液的PH值調(diào)節(jié)到7，并放在室溫下攪拌，然后將懸浮液定到入50ml聚四氟乙烯水熱反應(yīng)釜中，大概為其容積的80%。而后將

9、聚四氟乙烯水熱反應(yīng)釜放入不銹鋼套中封住，置于160℃烘箱中反應(yīng)12~48h。反應(yīng)完畢后將反應(yīng)釜取出放在室溫下冷卻，最后收集沉淀，并用無(wú)水乙醇洗滌幾次，再將洗滌好的樣品放入80℃烘箱中干燥。</p><p>　　類似的用Bi(NO3)3.5H2O為鉍源（產(chǎn)品名為t-BWO），其他步驟與上述的相同。利用固相反應(yīng)法制備塊狀的Bi2WO6（名為SSR-BWO）。</p><p>　　XRD衍射儀的

10、規(guī)格為D/MAX 2250V (Rigaku, Japan)，衍射源為Cu源，Ka源（λ =0.15418 nm），電壓40KV,，電流100mA，衍射角為10° <2θ <70°。利用TEM(JEOL JEM-2100F)</p><p>　　觀察其的微觀結(jié)構(gòu)，電壓為200KV。利用紫外分光光度計(jì)（日立，U-3010）測(cè)定樣品的反射系數(shù)。在77.35 K下用Micromerit

11、ics Tristar 3000分析儀中200℃下去瓦斯6h，用測(cè)定氮的吸附量以測(cè)定樣品的表面積。</p><p>　　將所制備的高活性光催化劑樣品加入到RhB溶液中，放入可見(jiàn)光源下?？梢?jiàn)光的光源由500WXe燈經(jīng)過(guò)420nm濾光后所形成的。也用U型緊湊型熒光燈（菲利普公司，8W，433<λ<700nm）做光源。在每次實(shí)驗(yàn)中，每100mlRhB(10-5 mol/L)中加入0.1g催化劑，在實(shí)驗(yàn)之前，

12、為了確保催化劑充分吸附RhB，需將攪拌好的溶液置于暗室1h。然后將混合物置于可見(jiàn)光源下照射，一段時(shí)間后用離心機(jī)離心分離催化劑顆粒，并將濾液用紫外分光光度計(jì)（日立，U-3010）測(cè)定吸附譜的范圍，記錄數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　結(jié)果與討論</b></p><p>　　在中性（PH=7）、反應(yīng)溫度為160℃下反應(yīng)24h所制備的樣品的XRD圖譜如圖1所示。所有的衍射

13、峰值是和標(biāo)準(zhǔn)峰（JCPDS ， No. 39-0256）對(duì)比得到經(jīng)過(guò)分析Bi2WO6晶體的晶格參數(shù)為a =5.456 Å, b =16.445 Å, c = 5.444 Å。</p><p>　　利用TEM測(cè)定Bi2WO6的微觀結(jié)構(gòu)的圖像如圖2-a所示。圖2-a顯示，所制備的樣品的平均粒徑為30nm。高分辨率TEM所測(cè)定Bi2WO6的圖像（圖2-b）顯示Bi2WO6的結(jié)構(gòu)為納米級(jí)。圖

14、2-c顯示Bi2WO6是30nm長(zhǎng)的片狀結(jié)構(gòu)。</p><p><b>　　圖2</b></p><p>　　利用吸附N2法測(cè)定出Bi2WO6的比表面積為51.5m2/g，它是塊狀SSR-BWO的80~90倍。因此表明納米Bi2WO6有較高的比表面積。</p><p>　　光催化活性與顆粒半徑和比表面積密切相關(guān)。隨機(jī)產(chǎn)生的電荷載體擴(kuò)散到表面的平

15、均時(shí)間符合公式τ = r2π2D ，r是顆粒半徑，D是載體的擴(kuò)散系數(shù)。如果顆粒半徑減小，那么將減小能有效的移動(dòng)到表面降解吸收RhB的分子的光生電子空穴對(duì)隨即重組的機(jī)會(huì)。另外BET比表面積的增大和顆粒半徑的減小有利于吸收更多的光和增加反應(yīng)位點(diǎn)。這些因素都能提高催化活性。所以制備顆粒半徑更小和比表面積更大的催化劑可以提高催化活性，雖然結(jié)晶度，相位，結(jié)構(gòu)，形態(tài)也會(huì)影響活性。用這種方法制備的納米Bi2WO6顆粒具有半徑小比表面積大的優(yōu)點(diǎn)，能為高

16、的光催化活性提供必要條件，并且實(shí)驗(yàn)觀察也支持這一現(xiàn)象</p><p>　　Bi2WO6樣品合成的漫反射紫外線可見(jiàn)光譜如圖3。樣品的吸收邊緣幾乎延伸到整個(gè)可見(jiàn)光譜，這意味著這些材料在可見(jiàn)光照射下有高催化活性。眾所周知半導(dǎo)體晶體的光學(xué)吸收在吸收帶邊緣的時(shí)候他符合αhν= A(hν - Eg)n/2，α，h, ν, Eg, 和 A分別是吸收系數(shù)Plank常數(shù)，光頻率，帶隙，和常數(shù)。其中n決定了半導(dǎo)體在過(guò)渡態(tài)的特點(diǎn)。因此

17、Bi2WO6納米片的帶隙能量大約是2.5eV。這表明在可見(jiàn)光照射下納米Bi2WO6的帶隙非常適合降解有機(jī)污染物。光學(xué)催化劑的顏色是暗黃色，它屬于可見(jiàn)光譜中。</p><p>　　利用DFT計(jì)算Bi2WO6的電子結(jié)構(gòu)，結(jié)果為的Bi2WO6價(jià)帶Bi 6s、O 2p雜化，導(dǎo)帶為W 5d。因此Eg變得狹窄，吸收范圍延伸到可見(jiàn)光區(qū)域。這種特殊的電子結(jié)構(gòu)使得價(jià)帶散開(kāi)，光生電子空穴容易移動(dòng)到晶體表面，有利于光催化降解有機(jī)污染物

18、。</p><p>　　在500WXe燈下（λ>=420nm）光降解染料RhB，這表明了納米Bi2WO6的可見(jiàn)光催化活性。在可見(jiàn)光照射下，由于乙基組被分解，RhB/Bi2WO6混合物的顏色隨光的照射而變淺。光催化降解反應(yīng)后的RhB水溶液的紫外可見(jiàn)光譜如圖4所示。圖4a顯示當(dāng)用可見(jiàn)光照射（λ>420nm）RhB/Bi2WO6時(shí)，吸光率最大的為Ca，在552nm處明顯下降。經(jīng)過(guò)40分鐘的照射，它的顏色幾乎

19、完全消失。圖4b是顯示可見(jiàn)光的催化效率。C在552nm波長(zhǎng)處吸收，C0為空白樣（沒(méi)有光催化劑Bi2WO6）的吸收峰。圖4b上說(shuō)明空白樣在可見(jiàn)光的照射下只顯示小的分解，40分鐘的照射后的分解效率僅為4%，這說(shuō)明沒(méi)有光催化劑Bi2WO6的RhB溶液降解的非常緩慢。為了使所制備Bi2WO6的能充分吸收RhB，需將含有Bi2WO6的RhB置于暗室40分鐘。經(jīng)過(guò)光催化分解RhB，RhB/Bi2WO6在暗室中反應(yīng)的比較表明，高活性光催化劑Bi2WO

20、6降解RhB是通過(guò)光催化過(guò)程的（光催化劑Bi2WO6只有在光下才有活性）。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)還表明納米Bi2WO6的活性是T-BWO的2~4倍，是SSR-BWO的8~10倍。</p><p>　　圖4 c表明由于樣品的結(jié)晶度不夠好，當(dāng)水熱時(shí)間為12h時(shí)制備的Bi2WO6，僅經(jīng)過(guò)60分鐘的照射，它降解RhB的效率就是30%。然而制備時(shí)水熱時(shí)間為24h時(shí)，經(jīng)過(guò)40分鐘的照射，Bi2WO6光降解RhB的效率就達(dá)到近100%。之后

21、隨著水熱時(shí)間的增加，Bi2WO6的光催化效率略有增加。</p><p>　　圖4d表示含不同PH值的前體懸浮液制備的Bi2WO6樣品的RhB溶液光降解的效率的不同。當(dāng)pH近中性時(shí)（5.3-8.3）RhB光解效率比其他pH條件下所制備的納米Bi2WO6高。</p><p>　　為了證實(shí)高性能光催化劑納米Bi2WO6的穩(wěn)定性，將從光降解RhB反應(yīng)后回收的Bi2WO6放在循環(huán)運(yùn)行的可見(jiàn)光（λ&g

22、t;420nm）中檢查（圖5），發(fā)現(xiàn)光降解RhB反應(yīng)后回收的Bi2WO6的催化活性比沒(méi)有較大的損失。這表明納米Bi2WO6有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，不會(huì)被污染物分子光氧化腐蝕。這一點(diǎn)在催化劑的應(yīng)用特別重要。</p><p>　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與觀察可能的反應(yīng)過(guò)程如下所示：</p><p>　　Bi(NO3)3→Bi3++3NO3- (a)</p><p>　　Na2WO4→

23、2Na++WO42- (b)</p><p>　　2Bi3++WO42-→Bi2WO6 (c)</p><p>　　Bi(NH3)2C6H7O7→Bi3+-(NH3)2C6H7O73- (d)</p><p>　　2Bi3+ -(NH3)2C6H7O73- +WO42-+2H2O→Bi2WO6+2(NH3)2C6H7O73- +4H+ (e)</p>

24、<p>　　用水熱法制備Bi2WO6通常用Bi(NO3)3作為Bi源。方程式a說(shuō)明Bi(NO3)3的水溶液中產(chǎn)生Bi3+，Na2WO4的水溶液中產(chǎn)生WO42-(方程b)。當(dāng)兩種溶液混合立即生成白色沉淀Bi2WO6(方程c)。由于整個(gè)沉淀過(guò)程，Bi2WO6的微觀結(jié)構(gòu)是自然成核和各向異性生長(zhǎng)的，因此形成了大顆粒和小表面積的產(chǎn)物。然而利用Bi(NH3)2C6H7O7代替Bi(NO3)3作Bi源就沒(méi)有沉淀現(xiàn)象。由于Bi(NH3)2C6

25、H7O7的獨(dú)特性質(zhì)該混合物在攪拌下變得無(wú)色透明。使用Bi(NH3)2C6H7O7時(shí)產(chǎn)生了復(fù)雜的Bi3+-(NH3)2C6H7O73-（方程d）。由于Bi3+與WO42-不會(huì)直接生成沉淀，因而B(niǎo)i(NH3)2C6H7O7與Na2WO4的混和溶液時(shí)無(wú)色透明的。當(dāng)水熱的溫度升高Bi(NH3)2C6H7O7會(huì)慢慢釋放Bi3+，Bi3+再與WO42-反應(yīng)生成沉淀（方程e）。水熱法制備Bi2WO6的過(guò)程類似于均勻沉淀，所形成的產(chǎn)物顆粒小、表面積大。

26、由于Bi(NH3)2C6H7O7的作用，所形成的Bi2WO6的晶體結(jié)構(gòu)有固定的各向異性，因此形成的Bi2WO6往往成片狀。另一方面，光催化劑的</p><p>　　還采用了8WU型的壓縮熒光燈作為光源。圖6顯示在此條件下Bi2WO6的光催化活性也很高。經(jīng)60分鐘照射，Bi2WO6的光解效率接近95%，這比t-BWO高 (2-4 倍)。另一方面，不含任何催化劑的RhB溶液光解非常慢，含有Bi2WO6的RhB溶液在黑

27、暗中不降解。這對(duì)將來(lái)實(shí)際應(yīng)用十分有利，因?yàn)闊羰覐?00W的氙燈變?yōu)?W的U型的壓縮熒光燈會(huì)大量降低能量消耗。在光催化劑的實(shí)際應(yīng)用中，能源消耗仍是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。本研究暗示這種納米Bi2WO6有大的比表面積，在戶內(nèi)光照條件下顯示了高光催化活性，為它以后應(yīng)用帶來(lái)了希望。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　在中性下160℃水熱24h所制備的可

28、見(jiàn)光催化劑納米Bi2WO6有較高的活性。我們所制備的納米粒子（30nm）有較小的粒徑和較高的表面積。在500W氙燈（λ>420nm）以及8W U型緊波型熒光燈（433nm<λ<700nm）的照射下，納米Bi2WO6的光催化活性是固相反應(yīng)制備的Bi2WO6的8~10倍。這為未來(lái)納米Bi2WO6在環(huán)境凈化中的應(yīng)用提供了依據(jù)。</p><p><b>　　致謝</b></p

29、><p>　　感謝中國(guó)科學(xué)院上海陶瓷研究所海外杰出人才招募計(jì)劃（百人計(jì)劃）中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金（No. 50672117），中國(guó)國(guó)家基礎(chǔ)研究計(jì)劃（973工，2007CB613302）的資助。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] Honda, K.; Fujishima, A. Nature 1972, 238,

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