摘要采用生物模板法，以脫脂棉為模板、Zn(OAC)2·2H2O為鋅源、Bi(NO3)3·5H2O為鉍源、乙醇-水為溶劑，在不同的浸泡時(shí)間、焙燒溫度、焙燒時(shí)間和摻雜摩爾分?jǐn)?shù)下通過浸漬-熱轉(zhuǎn)化制備了一系列Bi2O3/ZnO催化劑。使用掃描電子顯微鏡、熱重分析、X射線衍射等技術(shù)表征了產(chǎn)物形貌和結(jié)構(gòu)。以亞甲基藍(lán)作為模板反應(yīng)，太陽光為光源，考察了Bi2O3/ZnO系列材料的光催化活性。結(jié)果表明：浸泡2h、焙燒溫度為600℃、焙燒時(shí)間為2h的條件下制得的Bi摻雜摩爾分?jǐn)?shù)1.0%的Bi2O3/ZnO催化劑，在太陽光照射390min時(shí)對亞甲基藍(lán)的降解效果最佳，降解率高達(dá)95.21%。與純氧化鋅ZnO相比，降解率提高了16.77%。Bi2O3/ZnO具有良好的穩(wěn)定性和可循環(huán)使用性，在光降解偶氮染料方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。引言光催化技術(shù)在水解產(chǎn)氫、空氣凈化和污水治理等領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。但現(xiàn)有的光催化劑普遍存在光響應(yīng)范圍窄，太陽能利用率低和量子轉(zhuǎn)換率不高的缺陷，已成為制約光催化劑應(yīng)用的瓶頸。近年來，發(fā)展環(huán)境友好型可見光催化劑已成為污水處理方面的必然趨勢。Bi系氧化物是一類應(yīng)用廣泛的功能材料，其中Bi2O3是p型半導(dǎo)體材料，吸收可見光可激發(fā)價(jià)帶電子發(fā)生躍遷，在光催化方面具有潛在的應(yīng)用，而亞穩(wěn)定相的四方體β-Bi2O3能帶隙較窄（2.58eV），能被可見光激發(fā)產(chǎn)生氧化能力強(qiáng)的空穴，有較高的光催化活性。ZnO是n型寬禁帶半導(dǎo)體材料（3.37eV），易產(chǎn)生光腐蝕。單獨(dú)用Bi2O3和ZnO作催化劑處理廢水時(shí)存在光量子效率低且空穴與光生電子易復(fù)合的缺點(diǎn)。能隙不同的半導(dǎo)體復(fù)合可使光生電荷在兩種半導(dǎo)體間傳送，降低復(fù)合速率，使光生電荷得到有效的分離而延長壽命，甚至拓寬半導(dǎo)體的光譜響應(yīng)范圍，進(jìn)而改善催化性能，如CeO2/ZnO、CeO2/Bi2O3、Bi2O3/TiO2、WO3/Bi2WO6、ZnO/Bi2O3復(fù)合材料的光催化性能均優(yōu)于單一的催化劑。其中，Bi2O3與ZnO復(fù)合構(gòu)成的p-n型異質(zhì)結(jié)可以有效地促進(jìn)光生電荷的遷移與分離，提高催化劑的光利用率，進(jìn)而改善光催化效率。生物模板法是以自然界天然生物材料或經(jīng)簡單人工處理的生物質(zhì)為模板，將模板充分浸漬在前驅(qū)液中，模板的活性基團(tuán)與無機(jī)晶粒相互作用使得無機(jī)晶粒均勻的附著在模板表面，然后通過高溫焙燒技術(shù)去除模板，制備出復(fù)制模板微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)的材料的方法。該方法原料來源豐富、形貌精致、價(jià)格低廉、操作簡單安全、反應(yīng)溫和、綠色環(huán)保、形貌可控且能將生物質(zhì)資源變廢為寶等優(yōu)勢，為合成形貌復(fù)雜多樣的材料提供了新思路。目前以脫脂棉、纖維素、香樟葉、芭蕉葉、玉米秸稈等為模板制備的生物逸態(tài)金屬氧化物已被廣泛應(yīng)用于催化領(lǐng)域。用玉米秸稈為生物模板，通過高溫煅燒和水熱法相結(jié)合制備了Bi2WO6/TiO2復(fù)合材料，探究了Bi2WO6/TiO2在可見光條件下對羅丹明B的降解效果。研究發(fā)現(xiàn)，與無模板法制備的Bi2WO6/TiO2催化劑相比，模板法制備的光催化性能更佳。本文選用脫脂棉為模板物，以環(huán)保無毒的乙醇-水為混合溶劑，將脫脂棉浸泡到醋酸鋅和硝酸鉍的混合溶液中，利用脫脂棉上的羥基均勻地吸附無機(jī)晶粒，經(jīng)烘干和高溫焙燒得到Bi摻雜ZnO太陽光催化劑，研究制備工藝條件對催化劑在太陽光照射下降解亞甲基藍(lán)性能的影響。以期為尋找出制備簡單、環(huán)保而高效的可見光催化劑提供參考，對發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、改善生態(tài)環(huán)境，提高資源利用率意義重大。

正文部分1

實(shí)驗(yàn)部分1.1

主要儀器與試劑1.2

Bi摻雜ZnO催化劑的制備1.3

亞甲基藍(lán)太陽光光催化降解實(shí)驗(yàn)1.4

樣品表征2

結(jié)果與討論2.1

前驅(qū)物的TG-DTG分析圖1是以脫脂棉為模板制備的生物逸態(tài)鉍摻雜氧化鋅前驅(qū)體的TG-DTG曲線圖。2.2

催化劑物相分析焙燒時(shí)間對最終產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有顯著影響，焙燒時(shí)間短，前驅(qū)物分解不完全，而時(shí)間過長易導(dǎo)致顆粒團(tuán)聚并出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象，降低了樣品比表面積。圖2是不同焙燒時(shí)間制備的樣品XRD譜圖。2.3

催化劑微觀形貌分析圖3是相同Bi摻雜量，不同焙燒溫度制備所得系列材料的SEM圖。由圖可知，不同溫度焙燒制備得到的催化劑都承襲了脫脂棉模板物原有的纖維形貌。2.4

光催化降解性能2.4.1

浸泡時(shí)間的影響圖4為在不同浸漬時(shí)間（1、2、3和4h）條件下制備的1.0%Bi2O3/ZnO對亞甲基藍(lán)的光催化活性圖。2.4.2

煅燒溫度的影響圖5是在最佳浸漬時(shí)間下制備的前驅(qū)體經(jīng)500、600、700、800

℃焙燒得到的1.0%Bi2O3/ZnO對亞甲基藍(lán)的光催化活性圖。2.4.3

焙燒時(shí)間的影響合適的焙燒時(shí)間對節(jié)約能源和提高樣品的催化性能都意義重大。圖6是浸漬2h獲得的前驅(qū)體在600℃條件下焙燒不同時(shí)間制得的1.0%Bi2O3/ZnO對亞甲基藍(lán)的光催化活性影響圖。從圖中可以看出，焙燒時(shí)間由1h延長至4h的樣品對亞甲基藍(lán)的降解率依次為86.12%、95.21%、90.97%和82.05%。2.4.4

Bi摻雜量的影響在上述最佳條件下制備的Bi摻雜量不同的Bi2O3/ZnO系列材料（Bi的含量0%、0.5%、0.75%、1.0%、1.5%、2.0%）在太陽光下降解亞甲基藍(lán)的活性見圖7。2.4.5

光催化劑的穩(wěn)定性采用在最佳條件下制備的1.0%Bi2O3/ZnO復(fù)合材料在相同的反應(yīng)條件下4次光催化降解亞甲基藍(lán)的循環(huán)實(shí)驗(yàn)來評價(jià)催化劑的穩(wěn)定性，見圖8。

3

結(jié)論結(jié)論以來源豐富的脫脂棉為模板，通過醋酸鋅和硝酸鉍前驅(qū)體溶液浸漬，經(jīng)高溫焙燒制備了六方纖鋅礦系ZnO和β-Bi2O3復(fù)合物催化劑，以亞甲基藍(lán)染料的脫色降解為模板反應(yīng)，研究了浸漬時(shí)間、焙燒時(shí)間和溫度以及Bi摻雜量對復(fù)合物催化劑催化降解效率的影響。光催化降解亞甲基藍(lán)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，最佳的制備工藝為：浸漬