环境工程前沿

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1、新型可见光催化剂BiVO4概述摘要：阐述了新型可见光催化剂BiVO4光催化机理以及其制备方法，介绍了BiVO4光催化剂在污水处理和室内环境治理中的应用情况，分析了目前存在的问题并提出了研究方向。关键词：BiVO4；可见光催化剂；废水处理；制备方法Theoverviewaboutthenovelvisiblelightphoto-catalystEnvironmentengineeringWangDandan11803008(collegeofmarinescienceandEngineering,TianjinUniversityofScience&Technolog

2、y,Tianjin,300457)Abstract:Thephotocatalyticmechanismofanovelvisiblelightphoto-catalystBiVO4anditspreparationmethod.TheapplicationsofBiVO4photo-catalystinwastewatertreatmentaswellasindoorenvironmentalcontrolwereintroduced.Theproblemsexistedatpresentwereanalyzedandtheresearchdirectionswer

3、ealsoputforward.Keywords:BiVO4;visiblelightphoto-catalyst;wastewatertreatment;preparationmethod1.前言多相光催化领域开始于1972年，Fujishima利用TiO2单晶电极光电催化成功地分解了水。后来，有学者利用TiO2作为光催化剂将CN-氧化为OCN-，又将光催化剂研究领域扩展到水中污染物的处理。由于光催化技术在处理污染物方面效率高、节约能源、清洁无毒，不会对环境再次造成污染，而且制备工艺简单，所以半导体光催化剂也被普遍认定为一种新型绿色催化剂，在各种生活环境净化方面都有

4、广阔的应用前景。在光催化材料领域，TiO2一直作为研究重点，并且已经取得了很多成果，然而TiO2本身固有的缺点（较大的禁带宽度（3.2eV）使其只能利用太阳光总能量的40%）严重地制约了其进一步研究与应用。因此，为了充分利用太阳光，提高材料本身的光催化性能，开发可见光响应半导体光催化材料将是光催化领域的重点。钒酸秘（BiVO4）由于有较小的禁带宽度（2.4eV），可以直接吸收可见光，而受到了广泛的关注。钒酸秘（BiVO4）主要由层状Bi-V-O单元平行于c轴方向堆积而成，类似于Bi2O3。和V2O5。二元构造物，如图1-1所示。Bi原子周围是扭曲的氧八面体，V位于一个

5、扭曲的四面体中心，O1分别连接1个Bi原子和1个V原子，而O2连接2个Bi原子和单个V原子。原子之间的这种化学计量比说明Bi（5d106s2）、V（3d0）、和O(2p6)的化合价分别为+3，+5和-2。从价电子密度态计算图（图1-2）可见，价带的主体部分由分布在0~-5eV范围内O2p轨道构成，V的d轨道中并没有电子，所以在价带的构成中其主要和O2p轨道在-35eV附近产生杂化轨道，而Bi6p轨道也只是和O2p轨道杂化。另外在-9.5eV处的Bi6s轨道作为价带的一个组成部分，与O2p轨道产生反键，使Bi6s态向价带顶端移动。因为离散的O2p轨道不利于氧化作用，所以

6、在阴离子一阳离子之间形成的反键更有利于空穴的形成与流动，从而利于光催化过程中氧化反应的进行。半导体BiVO4的导带主要由V3d、O2p和Bi6s轨道杂化而成。钒酸秘的这种电子构型带来两个明显的优势：（1）降低了半导体的禁带宽度，可以使催化剂在可见光下被激发；（2）增加了价带宽度，有利于光生空穴的移动，减少光生电子一空穴的复合，从而更有利于材料的光催化过程。BiVO4主要有3种晶体结构—单斜白钨矿结构、四方白钨矿结构和四方错石结构，其禁带宽度分别为2.4eV、2.4eV和2.9eV。实验研究发现，当温度维持在528K时，单斜白钨矿和四方白钨矿可以相互转化，而当温度在67

7、0~770K之间时，四方错石结构会不可逆地转化为单斜白钨矿结构，转化过程如图1-3所示。图1-1BiVO4晶体结构示意图图1-2离子投射价电子密度态图1-3BiVO4的相转变1.BiVO4的制备因为不同结构的BiVO4具有不同光催化性，所以BiVO4相结构转变及相应光催化性质方面的研究已经很多。例如，单斜BiVO4可以在可见光激发下从AgNO3水溶液中制备O2，但四方错石结构BiVO4光催化性能较差，说明单斜白钨矿结构和四方错石结构的BiVO4在光物理和光催化性质方面存在一定差异。不同的制备方法对材料的结构和性能有很大的影响。例如，通过水溶液法制备的