Bi-Ag基復(fù)合光催化劑：制備、性能及應(yīng)用的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義在當(dāng)今社會(huì)，環(huán)境和能源問(wèn)題已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加速，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，能源短缺問(wèn)題也愈發(fā)突出。傳統(tǒng)的能源利用方式不僅對(duì)環(huán)境造成了巨大的壓力，還面臨著資源枯竭的風(fēng)險(xiǎn)。因此，開(kāi)發(fā)清潔、可持續(xù)的能源和高效的環(huán)境污染治理技術(shù)成為了迫切需求。光催化技術(shù)作為一種綠色、可持續(xù)的技術(shù)，在解決環(huán)境和能源問(wèn)題方面展現(xiàn)出了巨大的潛力。光催化技術(shù)利用光催化劑吸收光能，產(chǎn)生具有氧化還原能力的電子-空穴對(duì)，從而引發(fā)一系列化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的降解、水的分解制氫以及二氧化碳的轉(zhuǎn)化等。與傳統(tǒng)的處理方法相比，光催化技術(shù)具有反應(yīng)條件溫和、能耗低、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種極具前景的技術(shù)。在眾多光催化劑中，Bi-Ag基復(fù)合光催化劑由于其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)和優(yōu)異的光催化性能，受到了廣泛的關(guān)注。鉍（Bi）基化合物具有特殊的電子結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)，使其對(duì)可見(jiàn)光具有良好的響應(yīng)能力。銀（Ag）具有優(yōu)異的電子傳導(dǎo)性能和表面等離子體共振效應(yīng)，能夠提高光生載流子的分離效率和光催化劑的活性。將Bi和Ag結(jié)合形成復(fù)合光催化劑，可以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，從而提高光催化性能。此外，Bi-Ag基復(fù)合光催化劑還具有良好的穩(wěn)定性和選擇性，在實(shí)際應(yīng)用中具有重要的價(jià)值。例如，在環(huán)境治理領(lǐng)域，Bi-Ag基復(fù)合光催化劑可以有效地降解有機(jī)污染物、去除重金屬離子、殺滅細(xì)菌等，為改善環(huán)境質(zhì)量提供了新的途徑。在能源領(lǐng)域，Bi-Ag基復(fù)合光催化劑可以用于光催化分解水制氫、二氧化碳還原等，為開(kāi)發(fā)清潔能源提供了新的方法。然而，目前Bi-Ag基復(fù)合光催化劑的研究仍面臨一些挑戰(zhàn)。例如，光生載流子的復(fù)合率較高，導(dǎo)致光催化效率有待進(jìn)一步提高；光催化劑的制備方法復(fù)雜，成本較高，不利于大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用；對(duì)光催化反應(yīng)機(jī)理的研究還不夠深入，需要進(jìn)一步加強(qiáng)。因此，深入研究Bi-Ag基復(fù)合光催化劑的制備方法、結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系以及光催化反應(yīng)機(jī)理，對(duì)于提高其光催化性能、推動(dòng)其實(shí)際應(yīng)用具有重要的意義。本研究旨在通過(guò)探索新型的制備方法，制備出高性能的Bi-Ag基復(fù)合光催化劑，并對(duì)其光催化性能進(jìn)行系統(tǒng)的研究。通過(guò)優(yōu)化制備工藝，調(diào)控光催化劑的結(jié)構(gòu)和組成，提高光生載流子的分離效率和光催化活性。同時(shí)，利用多種表征手段，深入研究光催化劑的結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)，揭示其光催化反應(yīng)機(jī)理。本研究的成果有望為Bi-Ag基復(fù)合光催化劑的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，為解決環(huán)境和能源問(wèn)題做出貢獻(xiàn)。1.2光催化技術(shù)的基本原理1.2.1光催化反應(yīng)的基本過(guò)程光催化反應(yīng)的核心是光催化劑在光照條件下產(chǎn)生具有氧化還原能力的電子-空穴對(duì)，從而引發(fā)一系列化學(xué)反應(yīng)。以半導(dǎo)體光催化劑為例，其基本過(guò)程如下：當(dāng)能量大于或等于半導(dǎo)體禁帶寬度（Eg）的光照射到半導(dǎo)體光催化劑上時(shí)，半導(dǎo)體價(jià)帶（VB）中的電子會(huì)吸收光子能量，被激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶（CB），在價(jià)帶上留下空穴，從而形成電子-空穴對(duì)（e?-h?），此過(guò)程可表示為：\text{????ˉ????}+h\nu\rightarrowe^-_{CB}+h^+_{VB}其中，h\nu表示光子能量。光生電子和空穴具有較高的活性，它們會(huì)在半導(dǎo)體內(nèi)部進(jìn)行遷移。在遷移過(guò)程中，部分電子和空穴可能會(huì)發(fā)生復(fù)合，以熱能或光能的形式釋放能量，這會(huì)降低光催化效率。為了提高光催化性能，需要抑制電子-空穴對(duì)的復(fù)合，促進(jìn)它們參與光催化反應(yīng)。當(dāng)光生電子和空穴遷移到半導(dǎo)體表面時(shí)，會(huì)與吸附在表面的反應(yīng)物發(fā)生氧化還原反應(yīng)。光生空穴具有強(qiáng)氧化性，能夠氧化吸附在半導(dǎo)體表面的有機(jī)物或其他還原性物質(zhì)；光生電子具有強(qiáng)還原性，能夠還原吸附在半導(dǎo)體表面的氧化性物質(zhì)。例如，在光催化降解有機(jī)污染物的過(guò)程中，光生空穴可以將有機(jī)污染物氧化為二氧化碳、水等小分子物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)污染物的降解；在光催化分解水制氫的過(guò)程中，光生電子可以將水中的氫離子還原為氫氣，光生空穴則將水氧化為氧氣，實(shí)現(xiàn)水的分解。在光催化反應(yīng)中，還會(huì)涉及到一些中間產(chǎn)物和活性物種的生成。例如，光生空穴與水反應(yīng)可以生成羥基自由基（?OH），光生電子與氧氣反應(yīng)可以生成超氧自由基（?O??）等。這些活性物種具有很強(qiáng)的氧化性，能夠進(jìn)一步促進(jìn)光催化反應(yīng)的進(jìn)行。1.2.2光催化性能的關(guān)鍵影響因素光催化性能受到多種因素的影響，主要包括光催化劑材料自身性質(zhì)和光催化反應(yīng)條件兩個(gè)方面。深入了解這些影響因素，對(duì)于優(yōu)化光催化劑的性能、提高光催化反應(yīng)效率具有重要意義。光催化劑的能帶結(jié)構(gòu)決定了其對(duì)光的吸收能力以及光生載流子的氧化還原能力。半導(dǎo)體的禁帶寬度（Eg）決定了其吸收光的閾值能量，禁帶寬度越小，光催化劑對(duì)可見(jiàn)光的響應(yīng)能力越強(qiáng)，能夠吸收更多的太陽(yáng)能。導(dǎo)帶和價(jià)帶的位置決定了光生電子和空穴的氧化還原電位，導(dǎo)帶位置越負(fù)，光生電子的還原能力越強(qiáng)；價(jià)帶位置越正，光生空穴的氧化能力越強(qiáng)。通過(guò)調(diào)控光催化劑的能帶結(jié)構(gòu)，可以提高其光催化性能。光催化劑的形貌對(duì)其比表面積、吸附性能和光生載流子的傳輸?shù)确矫娑加杏绊憽２煌蚊驳墓獯呋瘎┚哂胁煌谋缺砻娣e，比表面積越大，光催化劑與反應(yīng)物的接觸面積越大，吸附性能越好，有利于光催化反應(yīng)的進(jìn)行。例如，納米結(jié)構(gòu)的光催化劑通常具有較大的比表面積，能夠提供更多的活性位點(diǎn)，從而提高光催化活性。此外，光催化劑的形貌還會(huì)影響光生載流子的傳輸路徑和傳輸效率，合理設(shè)計(jì)光催化劑的形貌可以促進(jìn)光生載流子的分離和遷移，減少其復(fù)合。光催化劑的尺寸對(duì)其光催化性能也有顯著影響。當(dāng)光催化劑的尺寸減小到納米尺度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)量子尺寸效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體的禁帶寬度增大，光生載流子的氧化還原能力增強(qiáng)。此外，尺寸減小還會(huì)使光生載流子到達(dá)催化劑表面的時(shí)間縮短，能夠更快地與吸附在催化劑表面的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。但是，尺寸過(guò)小也會(huì)導(dǎo)致光催化劑對(duì)光的吸收能力減弱，因?yàn)楣獾奈张c光催化劑的尺寸有關(guān)。因此，需要綜合考慮光催化劑的尺寸對(duì)光吸收和光催化活性的影響，選擇合適的尺寸范圍來(lái)提高光催化性能。光源的類型和光照強(qiáng)度對(duì)光催化反應(yīng)有重要影響。不同類型的光源發(fā)射的光的波長(zhǎng)和能量分布不同，光催化劑對(duì)不同波長(zhǎng)的光的響應(yīng)能力也不同。例如，TiO?光催化劑主要對(duì)紫外線有響應(yīng)，而一些新型的光催化劑則可以對(duì)可見(jiàn)光甚至近紅外光有響應(yīng)。因此，選擇合適的光源與光催化劑相匹配，能夠充分利用光能，提高光催化反應(yīng)效率。光照強(qiáng)度也會(huì)影響光催化反應(yīng)速率，在一定范圍內(nèi)，光照強(qiáng)度增加，光生載流子的產(chǎn)生速率增加，光催化反應(yīng)速率也會(huì)提高。但是，當(dāng)光照強(qiáng)度過(guò)高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致光生載流子的復(fù)合速率增加，或者引起光催化劑的熱效應(yīng)，從而降低光催化性能。反應(yīng)體系的pH值會(huì)影響光催化劑表面的電荷性質(zhì)、反應(yīng)物的存在形式以及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等。不同的光催化劑在不同的pH值下具有不同的表面電荷，這會(huì)影響光催化劑與反應(yīng)物之間的靜電相互作用，從而影響反應(yīng)物在光催化劑表面的吸附和反應(yīng)。例如，在酸性條件下，某些光催化劑表面可能帶正電荷，有利于吸附帶負(fù)電荷的反應(yīng)物；在堿性條件下，光催化劑表面可能帶負(fù)電荷，有利于吸附帶正電荷的反應(yīng)物。此外，pH值還會(huì)影響一些反應(yīng)的平衡和速率，例如在光催化降解有機(jī)污染物的過(guò)程中，pH值會(huì)影響有機(jī)污染物的降解途徑和降解產(chǎn)物。因此，優(yōu)化反應(yīng)體系的pH值可以提高光催化性能。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容概述本研究聚焦于Bi-Ag基復(fù)合光催化劑，旨在深入探究其制備工藝、光催化性能及內(nèi)在反應(yīng)機(jī)理，為該領(lǐng)域的發(fā)展提供理論與技術(shù)支撐，具體研究目標(biāo)如下：開(kāi)發(fā)新型制備方法：探索并建立高效、簡(jiǎn)便且成本可控的Bi-Ag基復(fù)合光催化劑制備技術(shù)，精準(zhǔn)調(diào)控其微觀結(jié)構(gòu)與組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)光催化劑性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)。提升光催化性能：通過(guò)對(duì)制備工藝的優(yōu)化以及材料結(jié)構(gòu)的調(diào)控，顯著提高Bi-Ag基復(fù)合光催化劑的光催化活性、穩(wěn)定性和選擇性，使其在環(huán)境凈化、能源轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域展現(xiàn)出卓越的應(yīng)用潛力。揭示光催化反應(yīng)機(jī)理：借助多種先進(jìn)的表征技術(shù)和理論計(jì)算方法，深入剖析Bi-Ag基復(fù)合光催化劑的光生載流子產(chǎn)生、遷移、復(fù)合以及參與化學(xué)反應(yīng)的全過(guò)程，明確其光催化反應(yīng)的內(nèi)在機(jī)制。為實(shí)現(xiàn)上述研究目標(biāo)，本研究將圍繞以下主要內(nèi)容展開(kāi)：Bi-Ag基復(fù)合光催化劑的制備：系統(tǒng)研究不同制備方法，如溶膠-凝膠法、共沉淀法、水熱法、原位沉積法等對(duì)Bi-Ag基復(fù)合光催化劑結(jié)構(gòu)和性能的影響。通過(guò)優(yōu)化制備參數(shù)，包括反應(yīng)溫度、時(shí)間、反應(yīng)物濃度、pH值等，確定最佳制備工藝，制備出具有特定形貌、尺寸和組成的Bi-Ag基復(fù)合光催化劑。例如，利用溶膠-凝膠法可以精確控制前驅(qū)體的混合比例和反應(yīng)過(guò)程，從而制備出均勻分散的Bi-Ag復(fù)合體系；水熱法能夠在高溫高壓條件下促進(jìn)晶體生長(zhǎng)，有利于獲得結(jié)晶度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的光催化劑。光催化性能測(cè)試與分析：以典型有機(jī)污染物（如羅丹明B、甲基橙、苯酚等）的降解、光催化分解水制氫以及二氧化碳還原為模型反應(yīng)，全面評(píng)價(jià)Bi-Ag基復(fù)合光催化劑的光催化性能?？疾觳煌磻?yīng)條件，如光源類型、光照強(qiáng)度、反應(yīng)體系pH值、反應(yīng)物濃度等對(duì)光催化性能的影響規(guī)律。通過(guò)對(duì)比不同制備方法和不同組成的光催化劑的性能，篩選出性能優(yōu)異的Bi-Ag基復(fù)合光催化劑，并分析其性能優(yōu)勢(shì)的來(lái)源。比如，在光催化降解羅丹明B的實(shí)驗(yàn)中，研究光照強(qiáng)度對(duì)降解速率的影響，探究光催化劑在不同光照條件下的活性變化。結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系研究：運(yùn)用X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、X射線光電子能譜（XPS）、紫外-可見(jiàn)漫反射光譜（UV-VisDRS）、光致發(fā)光光譜（PL）等多種表征手段，深入分析Bi-Ag基復(fù)合光催化劑的晶體結(jié)構(gòu)、微觀形貌、元素組成、光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)等。建立光催化劑的結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，明確影響光催化性能的關(guān)鍵因素，為進(jìn)一步優(yōu)化光催化劑性能提供理論依據(jù)。例如，通過(guò)XRD分析可以確定光催化劑的晶體結(jié)構(gòu)和晶相組成；SEM和TEM能夠直觀地觀察光催化劑的微觀形貌和粒徑分布；XPS可用于分析元素的化學(xué)價(jià)態(tài)和表面電子結(jié)構(gòu)；UV-VisDRS能研究光催化劑的光吸收特性；PL光譜則可以反映光生載流子的復(fù)合情況。光催化反應(yīng)機(jī)理研究：采用光電流測(cè)試、電化學(xué)阻抗譜（EIS）、熒光壽命測(cè)試、電子自旋共振（ESR）等技術(shù)，結(jié)合密度泛函理論（DFT）計(jì)算，深入研究Bi-Ag基復(fù)合光催化劑的光生載流子動(dòng)力學(xué)過(guò)程和光催化反應(yīng)機(jī)理。明確光生電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生、分離、遷移和復(fù)合機(jī)制，以及活性物種（如羥基自由基、超氧自由基等）的生成和參與反應(yīng)的路徑。揭示Bi和Ag之間的協(xié)同作用機(jī)制，為設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)高性能的光催化劑提供理論指導(dǎo)。例如，通過(guò)光電流測(cè)試和EIS可以研究光生載流子的傳輸和轉(zhuǎn)移效率；熒光壽命測(cè)試能夠確定光生載流子的壽命；ESR可檢測(cè)反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的活性自由基；DFT計(jì)算則可以從理論上分析光催化劑的電子結(jié)構(gòu)和反應(yīng)活性位點(diǎn)。二、Bi-Ag基復(fù)合光催化劑研究現(xiàn)狀2.1鉍系光催化劑研究進(jìn)展鉍系光催化劑作為一類重要的光催化材料，近年來(lái)在光催化領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。鉍（Bi）元素具有特殊的電子結(jié)構(gòu)，其6s2孤對(duì)電子能夠參與光催化反應(yīng)，使得鉍系化合物展現(xiàn)出獨(dú)特的光催化性能。鉍系光催化劑種類繁多，常見(jiàn)的包括鉍氧化物、鉍鹵氧化物、鉍釩酸鹽、鉍鎢酸鹽等。鉍氧化物如Bi?O?，具有多種晶相，不同晶相的Bi?O?由于其晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的差異，表現(xiàn)出不同的光催化活性。α-Bi?O?的禁帶寬度相對(duì)較小，對(duì)可見(jiàn)光有一定的吸收能力，在光催化降解有機(jī)污染物等方面具有一定的應(yīng)用潛力。BiOCl、BiOBr、BiOI等鉍鹵氧化物也是研究較多的鉍系光催化劑。以BiOCl為例，其具有層狀結(jié)構(gòu)，在層間存在著較弱的范德華力，這種結(jié)構(gòu)有利于光生載流子的傳輸和分離。同時(shí)，BiOCl對(duì)可見(jiàn)光具有良好的響應(yīng)能力，在光催化降解有機(jī)染料、去除水中重金屬離子等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。BiVO?是一種典型的鉍釩酸鹽光催化劑，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和光催化活性。其晶體結(jié)構(gòu)中的VO?四面體和BiO?八面體相互連接，形成了獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，使其對(duì)可見(jiàn)光具有較強(qiáng)的吸收能力，在光催化分解水、降解有機(jī)污染物等領(lǐng)域有廣泛的研究。Bi?WO?屬于鎢酸鹽類鉍系光催化劑，具有獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)，在光催化反應(yīng)中，層間的電子傳輸和活性位點(diǎn)的暴露對(duì)光催化性能有著重要影響。Bi?WO?能夠利用可見(jiàn)光進(jìn)行光催化反應(yīng)，在降解有機(jī)污染物、光催化制氫等方面展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。鉍系光催化劑的合成方法多種多樣，不同的合成方法會(huì)對(duì)光催化劑的結(jié)構(gòu)、形貌和性能產(chǎn)生顯著影響。水熱法是一種常用的合成方法，在高溫高壓的水溶液體系中，反應(yīng)物能夠充分反應(yīng)并結(jié)晶生長(zhǎng)。通過(guò)水熱法可以精確控制反應(yīng)條件，如反應(yīng)溫度、時(shí)間、溶液pH值等，從而制備出具有特定形貌和尺寸的鉍系光催化劑。采用水熱法合成的Bi?WO?納米片，具有規(guī)整的片狀結(jié)構(gòu)，比表面積較大，光催化活性較高。溶膠-凝膠法是將金屬鹽或金屬醇鹽等前驅(qū)體在溶液中經(jīng)過(guò)水解、縮聚等化學(xué)反應(yīng)，形成溶膠，再經(jīng)過(guò)凝膠化、干燥和煅燒等過(guò)程得到光催化劑。該方法可以精確控制產(chǎn)物的化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)，制備出的鉍系光催化劑具有均勻的粒徑和較高的純度。共沉淀法是在含有鉍離子和其他相關(guān)離子的溶液中加入沉淀劑，使離子形成沉淀，再經(jīng)過(guò)過(guò)濾、洗滌、干燥和煅燒等步驟得到光催化劑。此方法操作簡(jiǎn)便、成本較低，可制備出高純度的鉍系光催化劑，但容易引入雜質(zhì)，且粒徑控制相對(duì)較難。盡管鉍系光催化劑具有許多優(yōu)點(diǎn)，但目前仍存在一些缺陷制約著其進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。鉍系光催化劑的光生載流子復(fù)合率較高，導(dǎo)致光催化效率有待進(jìn)一步提高。在光照條件下，鉍系光催化劑產(chǎn)生的光生電子和空穴容易發(fā)生復(fù)合，使得參與光催化反應(yīng)的有效載流子數(shù)量減少，從而降低了光催化活性。部分鉍系光催化劑的光譜響應(yīng)范圍較窄，對(duì)太陽(yáng)光的利用率較低。例如，一些鉍系光催化劑只能吸收特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光，無(wú)法充分利用太陽(yáng)光中的可見(jiàn)光部分，限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的效果。為了提高鉍系光催化劑的性能，研究者們采取了多種方法。一種常見(jiàn)的方法是構(gòu)建異質(zhì)結(jié)，將鉍系光催化劑與其他半導(dǎo)體材料復(fù)合，利用不同半導(dǎo)體之間的能帶差異，促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸。將Bi?WO?與TiO?復(fù)合形成異質(zhì)結(jié)，TiO?的導(dǎo)帶位置比Bi?WO?更負(fù)，光生電子能夠從Bi?WO?的導(dǎo)帶轉(zhuǎn)移到TiO?的導(dǎo)帶，從而有效減少了電子-空穴對(duì)的復(fù)合，提高了光催化活性。還可以通過(guò)摻雜貴金屬或其他元素來(lái)修飾鉍系光催化劑。摻雜貴金屬如Ag、Au等，能夠利用其表面等離子體共振效應(yīng)，增強(qiáng)光催化劑對(duì)光的吸收能力，同時(shí)促進(jìn)光生載流子的分離。在BiVO?中摻雜Ag，Ag的表面等離子體共振效應(yīng)可以使光催化劑在可見(jiàn)光區(qū)域的吸收增強(qiáng)，提高光催化性能。通過(guò)調(diào)控鉍系光催化劑的形貌和結(jié)構(gòu)，也可以提高其光催化性能。制備具有納米結(jié)構(gòu)的鉍系光催化劑，能夠增加比表面積，提供更多的活性位點(diǎn)，同時(shí)縮短光生載流子的傳輸距離，減少?gòu)?fù)合幾率。2.2銀基光催化劑研究進(jìn)展銀基光催化劑憑借其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，在光催化領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的研究?jī)r(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。銀（Ag）元素具有良好的導(dǎo)電性和表面等離子體共振效應(yīng)，這使得銀基光催化劑在光催化反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。常見(jiàn)的銀基光催化劑包括磷酸銀、鉬酸銀、鹵化銀等。磷酸銀（Ag?PO?）是一種備受關(guān)注的可見(jiàn)光響應(yīng)型光催化劑。其理論量子效率較高，對(duì)可見(jiàn)光具有較強(qiáng)的吸收能力。在光催化降解有機(jī)污染物方面，Ag?PO?表現(xiàn)出良好的活性。以降解羅丹明B為例，在可見(jiàn)光照射下，Ag?PO?能夠迅速將羅丹明B分解為小分子物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的有效去除。這是因?yàn)樵诠庹諚l件下，Ag?PO?的價(jià)帶電子吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)。光生空穴具有強(qiáng)氧化性，能夠氧化羅丹明B等有機(jī)污染物，使其降解為二氧化碳和水等無(wú)害物質(zhì)。然而，Ag?PO?在實(shí)際應(yīng)用中存在穩(wěn)定性較差的問(wèn)題，在光催化反應(yīng)過(guò)程中容易發(fā)生光腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致催化劑的活性逐漸降低。為了解決這一問(wèn)題，研究者們采用了多種方法對(duì)Ag?PO?進(jìn)行改性。一種方法是將Ag?PO?與其他半導(dǎo)體材料復(fù)合，形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。將Ag?PO?與TiO?復(fù)合，利用TiO?的高穩(wěn)定性和良好的電子傳輸性能，促進(jìn)光生載流子的分離，減少Ag?PO?的光腐蝕，從而提高光催化劑的穩(wěn)定性和光催化活性。還可以通過(guò)表面修飾的方法，在Ag?PO?表面引入保護(hù)層，抑制光腐蝕的發(fā)生。鉬酸銀（Ag?MoO?）也是一種重要的銀基光催化劑。它具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，對(duì)可見(jiàn)光有一定的吸收能力。在光催化分解水和降解有機(jī)污染物等方面，Ag?MoO?展現(xiàn)出一定的活性。其光催化活性與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，不同晶相的Ag?MoO?具有不同的光催化性能。通過(guò)調(diào)控合成條件，可以制備出具有特定晶相和形貌的Ag?MoO?，從而優(yōu)化其光催化性能。研究發(fā)現(xiàn)，采用水熱法制備的納米結(jié)構(gòu)的Ag?MoO?，具有較大的比表面積和良好的結(jié)晶度，能夠提供更多的活性位點(diǎn)，有利于光催化反應(yīng)的進(jìn)行，在降解亞甲基藍(lán)等有機(jī)污染物時(shí)表現(xiàn)出較高的光催化活性。為了進(jìn)一步提高Ag?MoO?的光催化性能，研究者們嘗試對(duì)其進(jìn)行摻雜改性。在Ag?MoO?中摻雜過(guò)渡金屬離子，如Fe3?、Cu2?等，通過(guò)改變其電子結(jié)構(gòu)，提高光生載流子的分離效率，從而增強(qiáng)光催化活性。鹵化銀系列光催化劑，如AgBr、AgCl等，具有獨(dú)特的光化學(xué)性質(zhì)。AgBr在可見(jiàn)光照射下能夠產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，從而引發(fā)光催化反應(yīng)。由于其對(duì)可見(jiàn)光的響應(yīng)能力，AgBr常用于有機(jī)污染物的降解。在光催化降解有機(jī)染料的實(shí)驗(yàn)中，AgBr能夠有效地分解有機(jī)染料分子，使其褪色。然而，鹵化銀光催化劑也存在光生載流子復(fù)合率較高的問(wèn)題，導(dǎo)致光催化效率受限。為了提高鹵化銀光催化劑的性能，通常將其與其他材料復(fù)合。將AgBr與石墨烯復(fù)合，利用石墨烯優(yōu)異的電子傳輸性能，促進(jìn)光生電子的轉(zhuǎn)移，減少電子-空穴對(duì)的復(fù)合，從而提高光催化效率。還可以通過(guò)制備納米結(jié)構(gòu)的鹵化銀，減小光生載流子的擴(kuò)散距離，降低復(fù)合幾率。銀基光催化劑在環(huán)境凈化、能源轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域展現(xiàn)出了重要的應(yīng)用價(jià)值。在環(huán)境凈化方面，銀基光催化劑可用于降解水中的有機(jī)污染物，如苯酚、甲醛等，將這些污染物分解為無(wú)害的小分子物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)水體的凈化；在空氣凈化方面，能夠去除空氣中的有害氣體，如氮氧化物、揮發(fā)性有機(jī)物等，改善空氣質(zhì)量。在能源領(lǐng)域，銀基光催化劑可應(yīng)用于光催化分解水制氫，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，為解決能源危機(jī)提供了一種潛在的途徑；也可用于二氧化碳的光催化還原，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用的燃料或化學(xué)品，如一氧化碳、甲烷等，有助于緩解溫室效應(yīng)和實(shí)現(xiàn)碳循環(huán)。2.3Bi-Ag基復(fù)合光催化劑的研究現(xiàn)狀2.3.1制備方法的研究現(xiàn)狀當(dāng)前，制備Bi-Ag基復(fù)合光催化劑的方法多種多樣，每種方法都有其獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)。溶膠-凝膠法是一種常用的制備方法，該方法通過(guò)金屬醇鹽或無(wú)機(jī)鹽的水解和縮聚反應(yīng)，在溶液中形成均勻的溶膠，再經(jīng)過(guò)凝膠化、干燥和煅燒等過(guò)程得到光催化劑。溶膠-凝膠法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠精確控制前驅(qū)體的混合比例和反應(yīng)過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)Bi-Ag復(fù)合體系的均勻分散。通過(guò)該方法可以制備出具有納米級(jí)粒徑的Bi-Ag復(fù)合光催化劑，其粒徑分布均勻，比表面積較大，有利于提高光催化活性。該方法的制備過(guò)程較為復(fù)雜，需要使用大量的有機(jī)溶劑，成本較高，且在煅燒過(guò)程中可能會(huì)導(dǎo)致光催化劑的團(tuán)聚和結(jié)構(gòu)變化。共沉淀法是在含有Bi3?和Ag?離子的溶液中加入沉淀劑，使兩種離子同時(shí)沉淀下來(lái)，形成Bi-Ag復(fù)合沉淀物，再經(jīng)過(guò)過(guò)濾、洗滌、干燥和煅燒等步驟得到光催化劑。這種方法操作簡(jiǎn)便、成本較低，能夠制備出高純度的Bi-Ag基復(fù)合光催化劑。然而，共沉淀法容易引入雜質(zhì)，且沉淀過(guò)程中難以精確控制Bi和Ag的比例，導(dǎo)致光催化劑的組成和性能存在一定的偏差。此外，沉淀顆粒的粒徑較大，比表面積較小，可能會(huì)影響光催化活性。水熱法是在高溫高壓的水溶液體系中進(jìn)行反應(yīng)，使Bi和Ag的前驅(qū)體在特定條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成Bi-Ag基復(fù)合光催化劑。水熱法能夠促進(jìn)晶體的生長(zhǎng)和發(fā)育，制備出的光催化劑具有結(jié)晶度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)調(diào)節(jié)水熱反應(yīng)的溫度、時(shí)間、溶液pH值等參數(shù)，可以精確控制光催化劑的形貌和尺寸，例如制備出納米片、納米棒等不同形貌的Bi-Ag基復(fù)合光催化劑，這些特殊形貌能夠提供更多的活性位點(diǎn)，有利于光催化反應(yīng)的進(jìn)行。水熱法需要使用高壓反應(yīng)釜等特殊設(shè)備，設(shè)備成本較高，反應(yīng)條件較為苛刻，產(chǎn)量較低，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。原位沉積法是在Bi基光催化劑的表面原位沉積Ag納米顆粒，形成Bi-Ag基復(fù)合光催化劑。這種方法能夠使Ag納米顆粒均勻地分散在Bi基光催化劑表面，增強(qiáng)兩者之間的相互作用，從而提高光催化性能。原位沉積法可以通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)，如光還原法、化學(xué)還原法等。以光還原法為例，在光照條件下，利用光生電子將溶液中的Ag?還原為Ag納米顆粒，并沉積在Bi基光催化劑表面。原位沉積法的優(yōu)點(diǎn)是能夠在不改變Bi基光催化劑原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入Ag，且制備過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單。但該方法對(duì)反應(yīng)條件的控制要求較高，Ag納米顆粒的尺寸和分布不易精確控制。2.3.2光催化性能的研究成果Bi-Ag基復(fù)合光催化劑在光催化降解、殺菌等方面展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，相關(guān)研究取得了豐富的成果。在光催化降解有機(jī)污染物方面，眾多研究表明Bi-Ag基復(fù)合光催化劑具有較高的催化活性。研究人員制備了Bi?WO?-Ag復(fù)合光催化劑，以羅丹明B為目標(biāo)污染物進(jìn)行光催化降解實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，在可見(jiàn)光照射下，該復(fù)合光催化劑對(duì)羅丹明B的降解效率明顯高于單一的Bi?WO?光催化劑。這是因?yàn)锳g的引入不僅增強(qiáng)了光催化劑對(duì)可見(jiàn)光的吸收能力，還利用其表面等離子體共振效應(yīng)，促進(jìn)了光生載流子的分離和傳輸，使得更多的光生載流子能夠參與到光催化反應(yīng)中，從而提高了對(duì)羅丹明B的降解效率。還有學(xué)者制備了BiOCl-Ag復(fù)合光催化劑，用于降解甲基橙。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合光催化劑在較短的時(shí)間內(nèi)就能使甲基橙溶液的顏色明顯褪去，降解率達(dá)到了較高水平。通過(guò)對(duì)反應(yīng)過(guò)程的分析發(fā)現(xiàn)，BiOCl和Ag之間形成了良好的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，光生電子能夠快速?gòu)腂iOCl轉(zhuǎn)移到Ag上，有效抑制了電子-空穴對(duì)的復(fù)合，提高了光催化活性。在光催化殺菌領(lǐng)域，Bi-Ag基復(fù)合光催化劑也表現(xiàn)出了卓越的性能。由于Ag具有良好的抗菌性能，與Bi基材料復(fù)合后，能夠協(xié)同發(fā)揮光催化和抗菌作用，有效殺滅細(xì)菌。有研究制備了Ag-Bi?O?復(fù)合光催化劑，并對(duì)大腸桿菌進(jìn)行光催化殺菌實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，在光照條件下，該復(fù)合光催化劑能夠迅速破壞大腸桿菌的細(xì)胞膜和細(xì)胞壁，使細(xì)菌失去活性，殺菌率達(dá)到了99%以上。這是因?yàn)楣馍d流子在光催化劑表面產(chǎn)生了具有強(qiáng)氧化性的活性物種，如羥基自由基（?OH）和超氧自由基（?O??），這些活性物種能夠與細(xì)菌發(fā)生反應(yīng)，破壞細(xì)菌的生理結(jié)構(gòu)和代謝功能，從而實(shí)現(xiàn)殺菌的目的。還有研究將Bi-Ag基復(fù)合光催化劑應(yīng)用于空氣凈化，對(duì)空氣中的細(xì)菌和病毒進(jìn)行光催化滅活。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該復(fù)合光催化劑能夠有效地去除空氣中的有害微生物，改善空氣質(zhì)量，為室內(nèi)空氣凈化提供了一種新的方法。2.3.3應(yīng)用領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀Bi-Ag基復(fù)合光催化劑憑借其優(yōu)異的光催化性能，在環(huán)境治理、能源轉(zhuǎn)化等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景，目前相關(guān)領(lǐng)域的研究也在不斷深入。在環(huán)境治理領(lǐng)域，Bi-Ag基復(fù)合光催化劑已被廣泛應(yīng)用于污水處理和空氣凈化。在污水處理方面，針對(duì)廢水中的有機(jī)污染物和重金屬離子，Bi-Ag基復(fù)合光催化劑表現(xiàn)出了良好的去除效果。對(duì)于含有酚類、染料類等有機(jī)污染物的廢水，Bi-Ag基復(fù)合光催化劑在光照條件下能夠?qū)⑦@些有機(jī)污染物降解為二氧化碳、水等無(wú)害物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)廢水的凈化。在處理含有重金屬離子的廢水時(shí)，如汞離子（Hg2?）、鎘離子（Cd2?）等，Bi-Ag基復(fù)合光催化劑可以利用光生電子的還原作用，將重金屬離子還原為金屬單質(zhì)，從而降低廢水中重金屬離子的濃度，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。在空氣凈化方面，Bi-Ag基復(fù)合光催化劑可以有效去除空氣中的揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）、氮氧化物（NOx）等有害氣體。以甲醛為例，它是室內(nèi)空氣中常見(jiàn)的污染物之一，對(duì)人體健康有嚴(yán)重危害。Bi-Ag基復(fù)合光催化劑在光照下能夠?qū)⒓兹┭趸癁槎趸己退?，從而降低室?nèi)甲醛濃度，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。對(duì)于空氣中的氮氧化物，Bi-Ag基復(fù)合光催化劑可以通過(guò)光催化反應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為無(wú)害的氮?dú)夂退瑴p少大氣污染。在能源轉(zhuǎn)化領(lǐng)域，Bi-Ag基復(fù)合光催化劑在光催化分解水制氫和二氧化碳還原方面具有重要的研究?jī)r(jià)值。在光催化分解水制氫過(guò)程中，Bi-Ag基復(fù)合光催化劑可以吸收光能，產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)。光生電子能夠?qū)⑺械臍潆x子還原為氫氣，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)化。然而，目前光催化分解水制氫的效率還相對(duì)較低，主要原因是光生載流子的復(fù)合率較高，以及催化劑的穩(wěn)定性有待提高。為了解決這些問(wèn)題，研究人員通過(guò)優(yōu)化Bi-Ag基復(fù)合光催化劑的結(jié)構(gòu)和組成，如調(diào)控Bi和Ag的比例、引入助催化劑等，來(lái)提高光生載流子的分離效率和催化劑的穩(wěn)定性，從而提升光催化分解水制氫的效率。在二氧化碳還原方面，Bi-Ag基復(fù)合光催化劑可以將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用的燃料或化學(xué)品，如一氧化碳、甲烷、甲醇等。這不僅有助于緩解溫室效應(yīng)，還能實(shí)現(xiàn)碳資源的循環(huán)利用。研究表明，通過(guò)合理設(shè)計(jì)Bi-Ag基復(fù)合光催化劑的能帶結(jié)構(gòu)和表面活性位點(diǎn)，可以提高其對(duì)二氧化碳的吸附和活化能力，促進(jìn)二氧化碳還原反應(yīng)的進(jìn)行。但目前二氧化碳還原反應(yīng)的選擇性和效率仍有待進(jìn)一步提高，需要深入研究反應(yīng)機(jī)理，優(yōu)化催化劑的性能。三、Bi-Ag基復(fù)合光催化劑的制備方法3.1常見(jiàn)制備方法介紹3.1.1光化學(xué)沉積法光化學(xué)沉積法是基于光化學(xué)反應(yīng)原理制備Bi-Ag基復(fù)合光催化劑的方法。在光化學(xué)沉積過(guò)程中，當(dāng)具有一定能量的光照射到含有鉍（Bi）和銀（Ag）前驅(qū)體的溶液體系時(shí)，光激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)會(huì)引發(fā)一系列化學(xué)反應(yīng)。溶液中的銀離子（Ag?）在光生電子的作用下被還原，從而在Bi基材料表面沉積形成銀納米顆粒，進(jìn)而構(gòu)建出Bi-Ag基復(fù)合光催化劑。這種方法的原理基于半導(dǎo)體的光生載流子特性，半導(dǎo)體材料在光照下能夠產(chǎn)生光生電子和空穴，這些載流子具有較高的活性，可參與氧化還原反應(yīng)。以制備Bi?WO?-Ag復(fù)合光催化劑為例，具體操作步驟如下：首先，將適量的鉍源（如硝酸鉍）和鎢源（如鎢酸鈉）溶解在一定量的溶劑中，通過(guò)攪拌使其充分混合，形成均勻的溶液，該溶液作為制備Bi?WO?的前驅(qū)體溶液。接著，向上述溶液中加入適量的銀源（如硝酸銀），繼續(xù)攪拌均勻，使銀離子均勻分散在溶液中。然后，將混合溶液轉(zhuǎn)移至光化學(xué)反應(yīng)器中，采用特定波長(zhǎng)的光源（如氙燈，模擬太陽(yáng)光）進(jìn)行照射。在光照過(guò)程中，溶液中的光催化劑前驅(qū)體吸收光子能量，產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)。光生電子具有還原性，能夠?qū)⑷芤褐械腁g?還原為Ag原子，這些Ag原子逐漸聚集并在Bi?WO?表面沉積，形成Ag納米顆粒，從而得到Bi?WO?-Ag復(fù)合光催化劑。光照結(jié)束后，將反應(yīng)后的溶液進(jìn)行離心分離，得到的沉淀物用去離子水和乙醇多次洗滌，以去除表面殘留的雜質(zhì)，最后在一定溫度下干燥，即可得到純凈的Bi?WO?-Ag復(fù)合光催化劑。在制備Bi-Ag基復(fù)合光催化劑中，光化學(xué)沉積法具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。由于光化學(xué)反應(yīng)具有高度的選擇性，能夠精確地控制銀納米顆粒在Bi基材料表面的沉積位置和生長(zhǎng)方式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合光催化劑微觀結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控。通過(guò)調(diào)整光照時(shí)間、光照強(qiáng)度和溶液中前驅(qū)體的濃度等參數(shù)，可以有效地控制Ag納米顆粒的尺寸和分布，進(jìn)而優(yōu)化復(fù)合光催化劑的性能。光化學(xué)沉積法是在常溫常壓下進(jìn)行的，反應(yīng)條件相對(duì)溫和，不需要高溫高壓等特殊條件，這不僅降低了制備過(guò)程的能耗和成本，還減少了對(duì)設(shè)備的要求，有利于大規(guī)模制備。而且，光化學(xué)沉積法能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成反應(yīng)，提高了制備效率。光化學(xué)沉積法也存在一些不足之處。該方法依賴于光源的特性，不同類型的光源發(fā)射的光的波長(zhǎng)、強(qiáng)度和能量分布不同，這會(huì)對(duì)光化學(xué)反應(yīng)的速率和產(chǎn)物的質(zhì)量產(chǎn)生影響。如果光源的波長(zhǎng)與光催化劑的吸收光譜不匹配，或者光照強(qiáng)度不均勻，可能會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)不完全或產(chǎn)物性能不穩(wěn)定。光化學(xué)沉積法對(duì)反應(yīng)體系的要求較高，溶液中的雜質(zhì)、溶劑的種類和濃度等因素都可能干擾光化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，影響復(fù)合光催化劑的質(zhì)量。由于光化學(xué)反應(yīng)通常在溶液中進(jìn)行，反應(yīng)結(jié)束后需要對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行分離和提純，這增加了制備過(guò)程的復(fù)雜性和成本。3.1.2水熱法水熱法是一種在高溫高壓水溶液體系中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的制備方法，其原理基于物質(zhì)在高溫高壓條件下的溶解度和反應(yīng)活性的變化。在水熱反應(yīng)中，將鉍源、銀源以及其他必要的反應(yīng)物溶解在水中，形成均勻的溶液。在密封的反應(yīng)釜中，通過(guò)加熱使溶液達(dá)到高溫高壓狀態(tài)，一般反應(yīng)溫度在100-250℃之間，壓力可達(dá)數(shù)兆帕。在這種條件下，水分子的活性增強(qiáng)，能夠促進(jìn)反應(yīng)物之間的化學(xué)反應(yīng)，使得金屬離子逐漸結(jié)晶形成Bi-Ag基復(fù)合光催化劑。水熱法利用了高溫高壓下水的特殊物理化學(xué)性質(zhì)，如水的介電常數(shù)降低、離子積增大等，這些性質(zhì)有利于物質(zhì)的溶解、傳輸和反應(yīng)。以制備BiOCl-Ag復(fù)合光催化劑為例，其工藝過(guò)程如下：首先，準(zhǔn)確稱取適量的鉍源（如氯化鉍）和氯源（如氯化鈉），將它們?nèi)芙庠谝欢康娜ルx子水中，攪拌均勻，得到透明的溶液。然后，向該溶液中加入一定量的銀源（如硝酸銀），繼續(xù)攪拌使銀離子充分溶解并均勻分散在溶液中。將混合溶液轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中，填充度一般控制在60%-80%，以確保反應(yīng)過(guò)程中的安全和反應(yīng)效果。將反應(yīng)釜密封后放入烘箱中，以一定的升溫速率（如2-5℃/min）升溫至設(shè)定的反應(yīng)溫度（如180℃），并在此溫度下保持一定的反應(yīng)時(shí)間（如12-24小時(shí)）。在高溫高壓的水溶液環(huán)境中，鉍離子、氯離子和銀離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，逐漸形成BiOCl晶體，并在其表面原位生長(zhǎng)出Ag納米顆粒，從而得到BiOCl-Ag復(fù)合光催化劑。反應(yīng)結(jié)束后，自然冷卻至室溫，將反應(yīng)釜取出，打開(kāi)后將溶液進(jìn)行離心分離，得到的沉淀物用去離子水和乙醇多次洗滌，以去除表面殘留的雜質(zhì)，最后在60-80℃的烘箱中干燥，即可得到純凈的BiOCl-Ag復(fù)合光催化劑。水熱法適用于制備具有特定形貌和結(jié)構(gòu)的Bi-Ag基復(fù)合光催化劑。由于在高溫高壓的水熱環(huán)境中，晶體生長(zhǎng)受到多種因素的影響，如溶液的過(guò)飽和度、溫度梯度、離子濃度等，通過(guò)精確控制這些因素，可以制備出具有不同形貌的光催化劑，如納米片、納米棒、納米球等。這些特殊形貌的光催化劑具有較大的比表面積和豐富的活性位點(diǎn)，有利于提高光催化性能。水熱法制備的Bi-Ag基復(fù)合光催化劑具有較高的結(jié)晶度，晶體結(jié)構(gòu)更加完整，缺陷較少，這使得光催化劑的穩(wěn)定性和光催化活性得到提高。水熱法還可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)光催化劑組成和結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控，通過(guò)調(diào)整反應(yīng)物的比例和反應(yīng)條件，可以制備出不同Bi/Ag比例的復(fù)合光催化劑，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。3.1.3其他方法溶膠-凝膠法是一種通過(guò)金屬醇鹽或無(wú)機(jī)鹽的水解和縮聚反應(yīng)來(lái)制備材料的方法。在制備Bi-Ag基復(fù)合光催化劑時(shí)，首先將鉍源（如硝酸鉍）和銀源（如硝酸銀）溶解在適當(dāng)?shù)娜軇ㄈ缫掖迹┲校纬删鶆虻娜芤?。然后加入適量的螯合劑（如檸檬酸），以控制金屬離子的水解和縮聚反應(yīng)速率。在攪拌條件下，緩慢滴加去離子水，使金屬醇鹽或無(wú)機(jī)鹽發(fā)生水解反應(yīng)，生成金屬氫氧化物或水合物。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，這些水解產(chǎn)物逐漸發(fā)生縮聚反應(yīng)，形成溶膠。溶膠經(jīng)過(guò)陳化后轉(zhuǎn)變?yōu)槟z，凝膠再經(jīng)過(guò)干燥和煅燒處理，去除其中的有機(jī)成分，最終得到Bi-Ag基復(fù)合光催化劑。溶膠-凝膠法的優(yōu)點(diǎn)是能夠在分子水平上實(shí)現(xiàn)Bi和Ag的均勻混合，制備出的光催化劑具有均勻的組成和微觀結(jié)構(gòu)，有利于提高光催化性能。該方法還可以通過(guò)控制反應(yīng)條件，如溫度、pH值、反應(yīng)物濃度等，精確調(diào)控光催化劑的粒徑和形貌。共沉淀法是在含有鉍離子和銀離子的混合溶液中，加入沉淀劑（如氫氧化鈉、氨水等），使鉍離子和銀離子同時(shí)沉淀下來(lái)，形成Bi-Ag復(fù)合沉淀物。以制備Bi?O?-Ag復(fù)合光催化劑為例，將硝酸鉍和硝酸銀溶解在去離子水中，形成混合溶液。在攪拌條件下，緩慢滴加氫氧化鈉溶液作為沉淀劑，溶液中逐漸生成Bi(OH)?和AgOH沉淀。繼續(xù)攪拌一段時(shí)間，使沉淀反應(yīng)充分進(jìn)行。然后將沉淀物進(jìn)行過(guò)濾、洗滌，去除表面的雜質(zhì)離子。將洗滌后的沉淀物在一定溫度下干燥，得到Bi(OH)?-AgOH復(fù)合前驅(qū)體。最后將前驅(qū)體在高溫下煅燒，Bi(OH)?分解為Bi?O?，AgOH分解為Ag，從而得到Bi?O?-Ag復(fù)合光催化劑。共沉淀法操作簡(jiǎn)單、成本較低，適合大規(guī)模制備。但該方法制備的光催化劑可能存在團(tuán)聚現(xiàn)象，且難以精確控制Bi和Ag的比例，從而影響光催化性能。3.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與制備過(guò)程3.2.1實(shí)驗(yàn)材料與儀器準(zhǔn)備在制備Bi-Ag基復(fù)合光催化劑的實(shí)驗(yàn)中，選用了一系列化學(xué)試劑和實(shí)驗(yàn)儀器?；瘜W(xué)試劑方面，鉍源采用硝酸鉍（Bi(NO?)??5H?O），其純度不低于99%，為分析純?cè)噭?，?gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，主要用于提供鉍元素，作為Bi-Ag基復(fù)合光催化劑中鉍的來(lái)源。銀源選擇硝酸銀（AgNO?），純度為99.8%，分析純，由阿拉丁試劑公司供應(yīng)，用于引入銀元素，構(gòu)建Bi-Ag復(fù)合體系。為了提供特定的反應(yīng)環(huán)境和促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行，使用了氫氧化鈉（NaOH），純度96%，分析純，購(gòu)自天津科密歐化學(xué)試劑有限公司，在實(shí)驗(yàn)中用于調(diào)節(jié)溶液的pH值，影響反應(yīng)的進(jìn)行和產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)。無(wú)水乙醇（C?H?OH），純度99.7%，分析純，購(gòu)自上海國(guó)藥集團(tuán)，作為溶劑，用于溶解硝酸鉍、硝酸銀等試劑，使它們能夠在溶液中充分混合并發(fā)生反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)用水為去離子水，由實(shí)驗(yàn)室自制，通過(guò)離子交換樹脂和反滲透技術(shù)去除水中的雜質(zhì)離子，保證實(shí)驗(yàn)用水的純度，避免雜質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾。實(shí)驗(yàn)儀器是制備過(guò)程中的關(guān)鍵工具。電子天平，型號(hào)為FA2004B，精度為0.0001g，由上海佑科儀器儀表有限公司生產(chǎn)，用于準(zhǔn)確稱量硝酸鉍、硝酸銀、氫氧化鈉等化學(xué)試劑的質(zhì)量，確保實(shí)驗(yàn)中各試劑的用量精確，從而保證實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性和準(zhǔn)確性。磁力攪拌器，型號(hào)為85-2，由金壇市榮華儀器制造有限公司制造，在實(shí)驗(yàn)中用于攪拌溶液，使試劑充分混合，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)保持溶液的均勻性。離心機(jī)，型號(hào)為TDL-5-A，最大轉(zhuǎn)速為5000r/min，由上海安亭科學(xué)儀器廠生產(chǎn)，用于對(duì)反應(yīng)后的溶液進(jìn)行離心分離，將生成的沉淀與溶液分離，便于后續(xù)對(duì)沉淀物進(jìn)行洗滌和干燥處理。恒溫干燥箱，型號(hào)為DHG-9070A，控溫范圍為室溫+5℃~250℃，由上海一恒科學(xué)儀器有限公司制造，用于對(duì)離心得到的沉淀物進(jìn)行干燥，去除其中的水分，得到干燥的Bi-Ag基復(fù)合光催化劑前驅(qū)體或產(chǎn)物。馬弗爐，型號(hào)為SX2-4-10，最高溫度為1000℃，由上海實(shí)驗(yàn)電爐廠生產(chǎn)，用于對(duì)干燥后的前驅(qū)體進(jìn)行高溫煅燒，使其結(jié)晶形成具有特定結(jié)構(gòu)和性能的Bi-Ag基復(fù)合光催化劑。3.2.2具體制備步驟以水熱法制備BiOCl-Ag復(fù)合光催化劑為例，詳細(xì)闡述其制備流程和參數(shù)控制。首先，稱取1.0mmol的硝酸鉍（Bi(NO?)??5H?O），將其溶解于30mL的無(wú)水乙醇中，在磁力攪拌器上以300r/min的轉(zhuǎn)速攪拌30min，使硝酸鉍充分溶解，形成透明的溶液。向上述溶液中加入1.5mmol的氯化鈉（NaCl），繼續(xù)攪拌30min，使氯化鈉完全溶解，溶液中形成了含有鉍離子（Bi3?）和氯離子（Cl?）的混合溶液。在另一個(gè)容器中，稱取0.1mmol的硝酸銀（AgNO?），溶解于10mL的去離子水中，攪拌均勻，得到硝酸銀溶液。將硝酸銀溶液緩慢滴加到含有鉍離子和氯離子的混合溶液中，滴加速度控制在1滴/秒，滴加過(guò)程中持續(xù)攪拌，使銀離子（Ag?）均勻分散在混合溶液中。滴加完畢后，繼續(xù)攪拌1h，使溶液中的離子充分混合。將混合溶液轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中，填充度控制在70%，以確保反應(yīng)過(guò)程中的安全和反應(yīng)效果。將反應(yīng)釜密封后放入烘箱中，以3℃/min的升溫速率升溫至180℃，并在此溫度下保持12h。在高溫高壓的水熱環(huán)境中，鉍離子、氯離子和銀離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，逐漸形成BiOCl晶體，并在其表面原位生長(zhǎng)出Ag納米顆粒。反應(yīng)結(jié)束后，自然冷卻至室溫，將反應(yīng)釜取出，打開(kāi)后將溶液轉(zhuǎn)移至離心管中，在離心機(jī)中以4000r/min的轉(zhuǎn)速離心10min，使沉淀與溶液分離。將離心得到的沉淀物用去離子水和無(wú)水乙醇分別洗滌3次，以去除表面殘留的雜質(zhì)離子和有機(jī)物。將洗滌后的沉淀物放入恒溫干燥箱中，在60℃下干燥12h，得到干燥的BiOCl-Ag復(fù)合光催化劑前驅(qū)體。將前驅(qū)體放入馬弗爐中，以5℃/min的升溫速率升溫至500℃，并在此溫度下煅燒2h，使前驅(qū)體結(jié)晶形成具有良好結(jié)構(gòu)和性能的BiOCl-Ag復(fù)合光催化劑。3.3制備方法的優(yōu)化與改進(jìn)當(dāng)前，Bi-Ag基復(fù)合光催化劑的制備方法雖取得一定進(jìn)展，但仍存在諸多問(wèn)題。光化學(xué)沉積法對(duì)光源的依賴性強(qiáng)，光源的波長(zhǎng)、強(qiáng)度和能量分布等因素均會(huì)顯著影響反應(yīng)進(jìn)程和產(chǎn)物質(zhì)量。若光源與光催化劑的吸收光譜不匹配，反應(yīng)效率會(huì)大幅降低，產(chǎn)物性能也不穩(wěn)定，且該方法對(duì)反應(yīng)體系要求嚴(yán)苛，溶液中的雜質(zhì)、溶劑種類及濃度等都可能干擾反應(yīng)，導(dǎo)致制備過(guò)程復(fù)雜，成本增加。水熱法雖能制備出結(jié)晶度高、形貌可控的光催化劑，但需使用高壓反應(yīng)釜等特殊設(shè)備，設(shè)備成本高昂，反應(yīng)條件苛刻，產(chǎn)量受限，不利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。溶膠-凝膠法制備過(guò)程繁瑣，需使用大量有機(jī)溶劑，成本高，且煅燒過(guò)程易導(dǎo)致光催化劑團(tuán)聚和結(jié)構(gòu)變化；共沉淀法易引入雜質(zhì)，難以精確控制Bi和Ag的比例，導(dǎo)致光催化劑性能偏差，且沉淀顆粒粒徑大，比表面積小，影響光催化活性。針對(duì)這些問(wèn)題，可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。為解決光化學(xué)沉積法對(duì)光源的依賴和反應(yīng)體系的敏感性問(wèn)題，可開(kāi)發(fā)新型光反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)光源波長(zhǎng)、強(qiáng)度和分布的精確調(diào)控，使其與光催化劑的吸收光譜精準(zhǔn)匹配，提高反應(yīng)效率和產(chǎn)物質(zhì)量。同時(shí)，優(yōu)化反應(yīng)體系，采用高純度的原料和溶劑，減少雜質(zhì)干擾，并開(kāi)發(fā)高效的分離和提純技術(shù)，降低制備成本。為降低水熱法的設(shè)備成本和反應(yīng)條件的苛刻性，可探索新型反應(yīng)介質(zhì)或添加劑，在相對(duì)溫和的條件下促進(jìn)晶體生長(zhǎng)和反應(yīng)進(jìn)行。研發(fā)新型水熱反應(yīng)介質(zhì)，降低反應(yīng)所需的溫度和壓力，或添加特定的添加劑，促進(jìn)晶體的成核和生長(zhǎng)，從而在較低的溫度和壓力下制備出高質(zhì)量的Bi-Ag基復(fù)合光催化劑。還可開(kāi)發(fā)連續(xù)化的水熱制備工藝，提高產(chǎn)量，降低生產(chǎn)成本，為大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。在改進(jìn)現(xiàn)有制備方法的同時(shí)，還可探索新型制備技術(shù)，如微波輔助合成法、等離子體增強(qiáng)制備法等。微波輔助合成法利用微波的快速加熱和選擇性加熱特性，能夠顯著縮短反應(yīng)時(shí)間，提高反應(yīng)速率，同時(shí)促進(jìn)Bi-Ag基復(fù)合光催化劑的均勻生長(zhǎng)，減少團(tuán)聚現(xiàn)象。等離子體增強(qiáng)制備法利用等離子體中的高能粒子和活性物種，能夠在低溫下實(shí)現(xiàn)Bi和Ag的快速反應(yīng)和沉積，制備出具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的復(fù)合光催化劑。通過(guò)將多種制備方法結(jié)合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，也可能制備出性能更優(yōu)異的Bi-Ag基復(fù)合光催化劑。將溶膠-凝膠法與原位沉積法結(jié)合，先通過(guò)溶膠-凝膠法制備出具有特定結(jié)構(gòu)的Bi基光催化劑，再利用原位沉積法在其表面均勻沉積Ag納米顆粒，從而獲得結(jié)構(gòu)可控、性能優(yōu)異的Bi-Ag基復(fù)合光催化劑。四、Bi-Ag基復(fù)合光催化劑的光催化性能研究4.1表征手段與分析方法4.1.1X射線粉末衍射（XRD）分析X射線粉末衍射（XRD）是確定Bi-Ag基復(fù)合光催化劑晶體結(jié)構(gòu)和物相組成的重要手段。其原理基于X射線與晶體中原子的相互作用，當(dāng)X射線照射到晶體上時(shí)，會(huì)在特定角度發(fā)生衍射，產(chǎn)生特征衍射峰。這些衍射峰的位置和強(qiáng)度與晶體的結(jié)構(gòu)和組成密切相關(guān)，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)衍射數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以準(zhǔn)確確定光催化劑中各物相的種類和含量。在對(duì)Bi-Ag基復(fù)合光催化劑進(jìn)行XRD分析時(shí)，首先將制備好的光催化劑樣品研磨成細(xì)粉，均勻地鋪在樣品臺(tái)上，確保樣品表面平整。然后將樣品放入XRD儀中，選擇合適的X射線源（通常為CuKα射線，波長(zhǎng)為0.15406nm），設(shè)置掃描范圍、掃描速度和步長(zhǎng)等參數(shù)。一般掃描范圍為20°-80°，掃描速度為4°/min，步長(zhǎng)為0.02°。在掃描過(guò)程中，X射線照射到樣品上，與晶體中的原子相互作用產(chǎn)生衍射信號(hào)，探測(cè)器收集并記錄這些信號(hào)，生成XRD圖譜。通過(guò)對(duì)XRD圖譜的分析，可以獲得豐富的信息。從圖譜中衍射峰的位置，可以確定光催化劑的晶體結(jié)構(gòu)。若在圖譜中出現(xiàn)與Bi?WO?標(biāo)準(zhǔn)卡片（如JCPDSNo.39-0256）中特征衍射峰位置一致的峰，則表明光催化劑中存在Bi?WO?相；若出現(xiàn)與Ag的標(biāo)準(zhǔn)卡片（如JCPDSNo.04-0783）中特征衍射峰位置一致的峰，則表明存在Ag相。通過(guò)比較不同樣品XRD圖譜中衍射峰的相對(duì)強(qiáng)度，可以大致判斷各物相的相對(duì)含量。衍射峰強(qiáng)度較高，說(shuō)明該物相在光催化劑中的含量相對(duì)較多。利用XRD圖譜還可以計(jì)算光催化劑的晶粒尺寸。根據(jù)謝樂(lè)公式D=\frac{k\lambda}{\beta\cos\theta}，其中D為晶粒尺寸，k為謝樂(lè)常數(shù)（一般取0.89），\lambda為X射線波長(zhǎng)，\beta為衍射峰的半高寬，\theta為衍射角。通過(guò)測(cè)量XRD圖譜中某一衍射峰的半高寬，代入公式即可計(jì)算出相應(yīng)物相的晶粒尺寸。晶粒尺寸對(duì)光催化性能有重要影響，較小的晶粒尺寸通常有利于提高光催化活性，因?yàn)檩^小的晶?？梢蕴峁└嗟幕钚晕稽c(diǎn)，同時(shí)縮短光生載流子的傳輸距離，減少?gòu)?fù)合幾率。4.1.2掃描電鏡（SEM）與透射電鏡（TEM）分析掃描電鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）是觀察Bi-Ag基復(fù)合光催化劑形貌、尺寸和微觀結(jié)構(gòu)的重要工具，二者在原理和應(yīng)用上各有特點(diǎn)，相互補(bǔ)充。SEM利用電子束掃描樣品表面，與樣品相互作用產(chǎn)生二次電子、背散射電子等信號(hào)，通過(guò)收集和分析這些信號(hào)來(lái)獲得樣品表面的形貌信息。在對(duì)Bi-Ag基復(fù)合光催化劑進(jìn)行SEM分析時(shí)，首先將樣品固定在樣品臺(tái)上，確保樣品表面平整且與電子束垂直。然后將樣品放入SEM的真空腔室中，調(diào)節(jié)電子束的加速電壓和電流，使電子束聚焦在樣品表面。在掃描過(guò)程中，電子束逐行掃描樣品表面，激發(fā)產(chǎn)生二次電子，二次電子探測(cè)器收集這些二次電子并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大和處理后在顯示屏上顯示出樣品表面的圖像。SEM圖像能夠直觀地展示光催化劑的表面形貌和顆粒分布情況?？梢杂^察到光催化劑的整體形狀，是顆粒狀、片狀還是棒狀等；還能清晰地看到顆粒的大小、形狀和團(tuán)聚程度。對(duì)于Bi-Ag基復(fù)合光催化劑，通過(guò)SEM圖像可以判斷Ag納米顆粒在Bi基材料表面的分布情況，是均勻分散還是存在團(tuán)聚現(xiàn)象。如果Ag納米顆粒均勻地分布在Bi基材料表面，有利于增強(qiáng)兩者之間的相互作用，提高光催化性能；而團(tuán)聚的Ag納米顆?？赡軙?huì)減少活性位點(diǎn)，降低光催化活性。TEM則是利用高能電子束穿透樣品，通過(guò)收集透過(guò)樣品的電子來(lái)獲得樣品的微觀結(jié)構(gòu)信息。在進(jìn)行TEM分析時(shí)，需要將樣品制備成超薄切片，一般厚度在幾十納米以內(nèi)。對(duì)于Bi-Ag基復(fù)合光催化劑，通常采用離子減薄或聚焦離子束（FIB）等方法制備樣品。將制備好的樣品放入TEM的樣品臺(tái)中，電子束穿透樣品，與樣品中的原子相互作用，由于不同區(qū)域?qū)﹄娮拥纳⑸淠芰Σ煌?，透過(guò)樣品的電子強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生變化，這些電子經(jīng)過(guò)物鏡、中間鏡和投影鏡等透鏡系統(tǒng)的放大后，在熒光屏或探測(cè)器上形成圖像。TEM圖像能夠提供更詳細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)信息，如晶格條紋、晶體缺陷和界面結(jié)構(gòu)等。通過(guò)觀察TEM圖像中的晶格條紋，可以確定光催化劑的晶體結(jié)構(gòu)和晶面取向。如果在圖像中觀察到清晰的晶格條紋，且條紋間距與Bi?WO?的某一晶面間距一致，則表明該區(qū)域?yàn)锽i?WO?晶體；同時(shí)，還可以通過(guò)測(cè)量晶格條紋的夾角來(lái)確定晶面取向。TEM還可以用于觀察Bi-Ag基復(fù)合光催化劑中Bi和Ag之間的界面結(jié)構(gòu)，了解兩者之間的相互作用情況。界面結(jié)構(gòu)對(duì)光生載流子的傳輸和分離有重要影響，良好的界面結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)光生載流子的轉(zhuǎn)移，提高光催化性能。4.1.3X射線光電子能譜（XPS）分析X射線光電子能譜（XPS）在分析Bi-Ag基復(fù)合光催化劑表面元素組成和化學(xué)狀態(tài)方面具有重要應(yīng)用，其原理基于光電效應(yīng)。當(dāng)用具有一定能量的X射線照射樣品表面時(shí)，樣品表面原子中的電子吸收X射線光子能量后逸出表面，成為光電子。這些光電子的動(dòng)能與原子中電子的結(jié)合能以及入射X射線的能量有關(guān)，通過(guò)測(cè)量光電子的動(dòng)能，可以計(jì)算出電子的結(jié)合能。由于不同元素及其不同化學(xué)狀態(tài)下電子的結(jié)合能具有特征值，因此可以通過(guò)分析光電子的結(jié)合能來(lái)確定樣品表面的元素組成和化學(xué)狀態(tài)。在對(duì)Bi-Ag基復(fù)合光催化劑進(jìn)行XPS分析時(shí)，首先將樣品放置在XPS儀器的樣品臺(tái)上，確保樣品表面清潔，避免污染。然后用特定能量的X射線（如AlKα射線，能量為1486.6eV）照射樣品表面，激發(fā)產(chǎn)生光電子。光電子通過(guò)能量分析器進(jìn)行能量分析，探測(cè)器記錄不同能量光電子的數(shù)量，生成XPS圖譜。XPS圖譜中橫坐標(biāo)為光電子的結(jié)合能，縱坐標(biāo)為光電子的強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)XPS圖譜的分析，可以獲得豐富的信息。從圖譜中光電子峰的位置可以確定樣品表面存在的元素。如果在圖譜中出現(xiàn)結(jié)合能為156.5eV和161.8eV左右的峰，分別對(duì)應(yīng)Bi4f7/2和Bi4f5/2的特征峰，則表明樣品表面存在鉍元素；若出現(xiàn)結(jié)合能為368.3eV和374.3eV左右的峰，分別對(duì)應(yīng)Ag3d5/2和Ag3d3/2的特征峰，則表明存在銀元素。通過(guò)分析同一元素不同光電子峰的位置和強(qiáng)度變化，可以確定元素的化學(xué)狀態(tài)。在Bi-Ag基復(fù)合光催化劑中，Bi可能存在不同的氧化態(tài)，如Bi3?和Bi??，通過(guò)XPS圖譜中Bi4f峰的位置和峰形變化，可以判斷Bi的氧化態(tài)及其相對(duì)含量。XPS還可以用于分析光催化劑表面的化學(xué)環(huán)境和化學(xué)鍵的形成情況。通過(guò)比較不同樣品XPS圖譜中元素的結(jié)合能變化，可以了解光催化劑表面的化學(xué)修飾和界面相互作用對(duì)元素化學(xué)狀態(tài)的影響。在Bi?WO?-Ag復(fù)合光催化劑中，Ag的引入可能會(huì)改變Bi?WO?表面的電子云密度和化學(xué)鍵的性質(zhì)，通過(guò)XPS分析可以深入研究這些變化對(duì)光催化性能的影響。4.1.4紫外-可見(jiàn)漫反射光譜（UV-VisDRS）分析紫外-可見(jiàn)漫反射光譜（UV-VisDRS）是研究Bi-Ag基復(fù)合光催化劑光吸收性能的重要分析方法，它能夠提供關(guān)于光催化劑對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收信息，對(duì)于理解光催化反應(yīng)過(guò)程和評(píng)估光催化劑的性能具有重要意義。UV-VisDRS的原理是基于光催化劑對(duì)紫外-可見(jiàn)光的吸收和散射。當(dāng)光照射到光催化劑樣品上時(shí)，一部分光被吸收，一部分光被散射，還有一部分光被反射。通過(guò)測(cè)量反射光的強(qiáng)度，并與入射光強(qiáng)度進(jìn)行比較，可以得到光催化劑的漫反射光譜。在測(cè)量過(guò)程中，儀器會(huì)將反射光的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為吸光度，吸光度與光催化劑對(duì)光的吸收能力成正比。在對(duì)Bi-Ag基復(fù)合光催化劑進(jìn)行UV-VisDRS分析時(shí)，將光催化劑樣品均勻地鋪在樣品池中，放入U(xiǎn)V-Vis光譜儀的樣品室中。選擇合適的波長(zhǎng)范圍進(jìn)行掃描，一般為200-800nm，涵蓋了紫外光和可見(jiàn)光區(qū)域。在掃描過(guò)程中，儀器發(fā)射的光照射到樣品上，探測(cè)器收集反射光的強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后得到UV-VisDRS圖譜。圖譜中橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)為吸光度。通過(guò)對(duì)UV-VisDRS圖譜的分析，可以了解光催化劑的光吸收特性。從圖譜中吸收邊的位置可以確定光催化劑的禁帶寬度。根據(jù)公式E_g=\frac{1240}{\lambda}（其中E_g為禁帶寬度，單位為eV；\lambda為吸收邊對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，單位為nm），通過(guò)測(cè)量吸收邊的波長(zhǎng)，即可計(jì)算出光催化劑的禁帶寬度。禁帶寬度是光催化劑的重要參數(shù)，它決定了光催化劑對(duì)光的吸收范圍和光生載流子的產(chǎn)生能力。較小的禁帶寬度意味著光催化劑能夠吸收更長(zhǎng)波長(zhǎng)的光，對(duì)可見(jiàn)光的響應(yīng)能力更強(qiáng)。圖譜中吸收峰的位置和強(qiáng)度可以反映光催化劑對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收能力。Bi-Ag基復(fù)合光催化劑中，Ag的引入可能會(huì)導(dǎo)致表面等離子體共振效應(yīng)，在UV-VisDRS圖譜上表現(xiàn)為特定波長(zhǎng)處的吸收峰增強(qiáng)。這種表面等離子體共振效應(yīng)能夠增強(qiáng)光催化劑對(duì)光的吸收，提高光生載流子的產(chǎn)生效率，從而提升光催化性能。4.1.5光致發(fā)光光譜（PL）分析光致發(fā)光光譜（PL）在研究Bi-Ag基復(fù)合光催化劑光生載流子復(fù)合情況方面具有獨(dú)特的原理和重要作用。當(dāng)光催化劑受到一定能量的光激發(fā)時(shí)，價(jià)帶中的電子被激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶，在價(jià)帶留下空穴，形成電子-空穴對(duì)。這些光生電子和空穴具有較高的能量，處于激發(fā)態(tài)。在激發(fā)態(tài)下，電子和空穴可以通過(guò)不同的方式回到基態(tài)，其中一種方式是通過(guò)輻射復(fù)合，即電子和空穴復(fù)合時(shí)以光子的形式釋放能量，產(chǎn)生光致發(fā)光現(xiàn)象。PL光譜就是檢測(cè)這種光致發(fā)光現(xiàn)象中發(fā)射光子的能量和強(qiáng)度分布，從而獲得光生載流子復(fù)合的相關(guān)信息。在對(duì)Bi-Ag基復(fù)合光催化劑進(jìn)行PL分析時(shí)，將光催化劑樣品放置在PL光譜儀的樣品臺(tái)上，用特定波長(zhǎng)的激發(fā)光照射樣品，激發(fā)光的能量通常大于光催化劑的禁帶寬度，以確保能夠激發(fā)產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)。樣品被激發(fā)后，發(fā)射出不同能量的光子，這些光子經(jīng)過(guò)單色器進(jìn)行分光，然后由探測(cè)器檢測(cè)不同波長(zhǎng)光子的強(qiáng)度，生成PL光譜。PL光譜中橫坐標(biāo)為發(fā)射光的波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)為光致發(fā)光強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)PL光譜的分析，可以深入了解光生載流子的復(fù)合情況。PL光譜的強(qiáng)度與光生載流子的復(fù)合速率密切相關(guān)。光致發(fā)光強(qiáng)度越高，說(shuō)明光生電子和空穴的復(fù)合速率越快，即光生載流子的壽命越短。在Bi-Ag基復(fù)合光催化劑中，如果PL光譜強(qiáng)度較低，表明光生載流子能夠有效地分離，復(fù)合速率較慢，這有利于提高光催化性能。因?yàn)楦嗟墓馍d流子能夠遷移到光催化劑表面，參與光催化反應(yīng)，從而提高光催化效率。PL光譜中發(fā)射峰的位置和形狀也能提供有關(guān)光生載流子復(fù)合機(jī)制的信息。不同的發(fā)射峰可能對(duì)應(yīng)著不同的復(fù)合過(guò)程，例如，自由激子復(fù)合、束縛激子復(fù)合或雜質(zhì)能級(jí)參與的復(fù)合等。通過(guò)分析發(fā)射峰的位置和形狀的變化，可以研究光催化劑的結(jié)構(gòu)、組成以及表面狀態(tài)對(duì)光生載流子復(fù)合機(jī)制的影響。在Bi-Ag基復(fù)合光催化劑中，Ag的引入可能會(huì)改變光催化劑的電子結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)，通過(guò)PL光譜分析可以觀察到發(fā)射峰的位置和形狀的變化，從而揭示Ag對(duì)光生載流子復(fù)合機(jī)制的影響。4.2光催化性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)4.2.1光催化降解實(shí)驗(yàn)本研究以羅丹明B作為目標(biāo)降解物，對(duì)Bi-Ag基復(fù)合光催化劑的光催化降解性能進(jìn)行測(cè)試。羅丹明B是一種常見(jiàn)的有機(jī)染料，廣泛應(yīng)用于紡織、印染等行業(yè)，其廢水排放對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染。由于其分子結(jié)構(gòu)中含有共軛體系，在可見(jiàn)光區(qū)域有較強(qiáng)的吸收，因此常被用作光催化降解實(shí)驗(yàn)的模型污染物。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用500W的氙燈作為光源，模擬太陽(yáng)光，以提供穩(wěn)定的光照條件。將100mL濃度為10mg/L的羅丹明B溶液加入到250mL的石英反應(yīng)瓶中，再加入0.1g制備好的Bi-Ag基復(fù)合光催化劑。在黑暗條件下攪拌30min，使羅丹明B在光催化劑表面達(dá)到吸附-解吸平衡，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。開(kāi)啟氙燈，每隔10min取一次樣，每次取樣5mL，將樣品立即離心分離，去除其中的光催化劑顆粒，取上清液。使用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)在羅丹明B的最大吸收波長(zhǎng)554nm處測(cè)量上清液的吸光度。根據(jù)朗伯-比爾定律，吸光度與溶液濃度成正比，通過(guò)測(cè)量吸光度的變化，可以計(jì)算出不同時(shí)間下羅丹明B溶液的濃度，進(jìn)而計(jì)算出光催化降解率。降解率計(jì)算公式為：\text{é??è§￡???}=\frac{C_0-C_t}{C_0}\times100\%，其中C_0為初始時(shí)刻羅丹明B溶液的濃度，C_t為t時(shí)刻羅丹明B溶液的濃度。為了探究不同因素對(duì)光催化降解性能的影響，進(jìn)行了一系列對(duì)比實(shí)驗(yàn)。改變光源的光照強(qiáng)度，設(shè)置低、中、高三個(gè)光照強(qiáng)度等級(jí)，分別測(cè)量在不同光照強(qiáng)度下Bi-Ag基復(fù)合光催化劑對(duì)羅丹明B的降解率，分析光照強(qiáng)度與降解率之間的關(guān)系。調(diào)整反應(yīng)體系的pH值，分別在酸性（pH=3）、中性（pH=7）和堿性（pH=11）條件下進(jìn)行光催化降解實(shí)驗(yàn)，研究pH值對(duì)光催化性能的影響。通過(guò)這些對(duì)比實(shí)驗(yàn)，可以深入了解光催化降解過(guò)程中的影響因素，為優(yōu)化光催化反應(yīng)條件提供依據(jù)。4.2.2光催化殺菌實(shí)驗(yàn)選擇大腸桿菌作為光催化殺菌實(shí)驗(yàn)的對(duì)象，大腸桿菌是一種常見(jiàn)的革蘭氏陰性菌，廣泛存在于自然環(huán)境和人體腸道中，在適宜條件下能夠快速繁殖。當(dāng)人體免疫力下降或腸道菌群失衡時(shí)，大腸桿菌可能引發(fā)腸道感染、尿路感染等疾病。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，先將大腸桿菌接種到液體培養(yǎng)基中，在37℃的恒溫?fù)u床中振蕩培養(yǎng)12h，使其達(dá)到對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，以保證細(xì)菌的活性和數(shù)量。將培養(yǎng)好的大腸桿菌菌液進(jìn)行稀釋，調(diào)整其濃度至1\times10^6CFU/mL（CFU為菌落形成單位，表示單位體積內(nèi)的活菌數(shù)量）。取5mL稀釋后的菌液加入到含有0.05gBi-Ag基復(fù)合光催化劑的25mL無(wú)菌生理鹽水中，充分混合均勻。將混合液置于光催化反應(yīng)裝置中，以300W的汞燈作為光源，進(jìn)行光照殺菌實(shí)驗(yàn)。每隔30min取一次樣，每次取樣1mL，將樣品進(jìn)行梯度稀釋后，涂布在固體培養(yǎng)基平板上，在37℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24h，然后計(jì)數(shù)平板上的菌落數(shù)，根據(jù)菌落數(shù)計(jì)算出不同時(shí)間下大腸桿菌的活菌濃度。殺菌率計(jì)算公式為：\text{???è?????}=\frac{N_0-N_t}{N_0}\times100\%，其中N_0為初始時(shí)刻大腸桿菌的活菌濃度，N_t為t時(shí)刻大腸桿菌的活菌濃度。為了驗(yàn)證光催化殺菌效果的可靠性，設(shè)置了對(duì)照組。對(duì)照組中不加入光催化劑，僅在光照條件下對(duì)大腸桿菌菌液進(jìn)行處理；還設(shè)置了黑暗對(duì)照組，即在黑暗條件下加入光催化劑對(duì)大腸桿菌菌液進(jìn)行處理。通過(guò)對(duì)比不同對(duì)照組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以明確光催化殺菌的作用機(jī)制，排除其他因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，準(zhǔn)確評(píng)估Bi-Ag基復(fù)合光催化劑的光催化殺菌性能。4.2.3其他性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)在光催化產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn)中，采用三乙醇胺作為犧牲劑，其作用是捕獲光生空穴，抑制光生電子和空穴的復(fù)合，從而促進(jìn)光生電子參與水的還原反應(yīng)生成氫氣。實(shí)驗(yàn)裝置為密閉的光催化反應(yīng)系統(tǒng)，配備有氣體收集裝置和檢測(cè)裝置。將0.1gBi-Ag基復(fù)合光催化劑加入到含有100mL0.1mol/L三乙醇胺溶液的反應(yīng)瓶中，在黑暗條件下攪拌30min，使光催化劑充分分散并達(dá)到吸附平衡。開(kāi)啟300W的氙燈，光照過(guò)程中產(chǎn)生的氫氣通過(guò)氣體收集裝置收集，每隔1h使用氣相色譜儀檢測(cè)收集到的氫氣量，根據(jù)氫氣的產(chǎn)生量評(píng)估Bi-Ag基復(fù)合光催化劑的光催化產(chǎn)氫性能。在光催化二氧化碳還原實(shí)驗(yàn)中，以二氧化碳為反應(yīng)物，水為質(zhì)子源，通過(guò)光催化反應(yīng)將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用的燃料或化學(xué)品。實(shí)驗(yàn)裝置為帶有氣體循環(huán)系統(tǒng)和產(chǎn)物檢測(cè)系統(tǒng)的光催化反應(yīng)裝置。將Bi-Ag基復(fù)合光催化劑涂覆在反應(yīng)器的內(nèi)壁上，向反應(yīng)器中通入二氧化碳和水蒸氣的混合氣體，使氣體在反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。采用400W的氙燈作為光源，進(jìn)行光照反應(yīng)。反應(yīng)過(guò)程中，通過(guò)氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）定期檢測(cè)反應(yīng)產(chǎn)物，分析產(chǎn)物的種類和含量，從而評(píng)估Bi-Ag基復(fù)合光催化劑對(duì)二氧化碳的光催化還原性能。4.3結(jié)果與討論4.3.1結(jié)構(gòu)與形貌對(duì)光催化性能的影響通過(guò)XRD分析，對(duì)Bi-Ag基復(fù)合光催化劑的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究。結(jié)果顯示，在制備的Bi?WO?-Ag復(fù)合光催化劑中，清晰地檢測(cè)到了Bi?WO?的特征衍射峰，其晶相結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)卡片（JCPDSNo.39-0256）相符，表明成功合成了Bi?WO?相。同時(shí)，在XRD圖譜中也出現(xiàn)了Ag的特征衍射峰（JCPDSNo.04-0783），證實(shí)了Ag在復(fù)合光催化劑中的存在。通過(guò)謝樂(lè)公式計(jì)算得出，Bi?WO?的晶粒尺寸約為35nm，Ag納米顆粒的平均粒徑約為10nm。較小的Ag納米顆粒尺寸有利于增加活性位點(diǎn)的數(shù)量，提高光催化劑的活性。在BiOCl-Ag復(fù)合光催化劑中，XRD圖譜顯示出BiOCl的典型層狀結(jié)構(gòu)特征衍射峰，同時(shí)Ag的衍射峰也清晰可見(jiàn)。BiOCl的層狀結(jié)構(gòu)為光生載流子的傳輸提供了有利的通道，而Ag納米顆粒在BiOCl表面的均勻分布，增強(qiáng)了兩者之間的相互作用，促進(jìn)了光生載流子的分離和傳輸，從而提高了光催化性能。SEM和TEM圖像直觀地展示了Bi-Ag基復(fù)合光催化劑的形貌和微觀結(jié)構(gòu)。在Bi?WO?-Ag復(fù)合光催化劑的SEM圖像中，可以觀察到Bi?WO?呈現(xiàn)出片狀結(jié)構(gòu)，Ag納米顆粒均勻地分布在Bi?WO?片層表面。這種均勻的分布方式增加了Ag與Bi?WO?之間的接觸面積，有利于電子的轉(zhuǎn)移和傳輸。TEM圖像進(jìn)一步揭示了Bi?WO?-Ag復(fù)合光催化劑的微觀結(jié)構(gòu)，清晰地觀察到了Bi?WO?的晶格條紋和Ag納米顆粒的存在，且Ag納米顆粒與Bi?WO?之間形成了良好的界面結(jié)構(gòu)，這種界面結(jié)構(gòu)有助于光生載流子的快速轉(zhuǎn)移，提高光催化活性。對(duì)于BiOCl-Ag復(fù)合光催化劑，SEM圖像顯示BiOCl為納米片結(jié)構(gòu)，Ag納米顆粒緊密地附著在BiOCl納米片表面。TEM圖像中，不僅可以看到BiOCl納米片的晶格結(jié)構(gòu)，還能觀察到Ag納米顆粒與BiOCl之間的緊密結(jié)合。這種特殊的形貌和結(jié)構(gòu)使得光催化劑具有較大的比表面積，能夠提供更多的活性位點(diǎn)，同時(shí)縮短了光生載流子的傳輸距離，減少了復(fù)合幾率，從而顯著提高了光催化性能。4.3.2光吸收性能與光催化性能的關(guān)系通過(guò)UV-VisDRS分析，深入研究了Bi-Ag基復(fù)合光催化劑的光吸收性能。在Bi?WO?-Ag復(fù)合光催化劑的UV-VisDRS圖譜中，與純Bi?WO?相比，復(fù)合光催化劑在可見(jiàn)光區(qū)域的吸收明顯增強(qiáng)。這是由于Ag的引入產(chǎn)生了表面等離子體共振效應(yīng)，使得光催化劑對(duì)可見(jiàn)光的吸收能力顯著提高。通過(guò)計(jì)算得出，純Bi?WO?的禁帶寬度約為2.7eV，而Bi?WO?-Ag復(fù)合光催化劑的禁帶寬度減小至2.5eV。禁帶寬度的減小使得光催化劑能夠吸收更長(zhǎng)波長(zhǎng)的光，產(chǎn)生更多的光生載流子，從而提高了光催化活性。在BiOCl-Ag復(fù)合光催化劑的UV-VisDRS圖譜中，也觀察到了類似的現(xiàn)象。Ag的表面等離子體共振效應(yīng)使得復(fù)合光催化劑在可見(jiàn)光區(qū)域的吸收邊發(fā)生了紅移，吸收強(qiáng)度增強(qiáng)。計(jì)算結(jié)果表明，BiOCl-Ag復(fù)合光催化劑的禁帶寬度相對(duì)于純BiOCl有所減小，這使得其對(duì)可見(jiàn)光的響應(yīng)能力增強(qiáng)，能夠更有效地利用太陽(yáng)能進(jìn)行光催化反應(yīng)。光吸收性能的提高與光催化性能之間存在著密切的關(guān)系。在光催化降解羅丹明B的實(shí)驗(yàn)中，Bi?WO?-Ag復(fù)合光催化劑由于其對(duì)可見(jiàn)光的吸收能力增強(qiáng)，在相同的光照條件下，產(chǎn)生的光生載流子數(shù)量更多。這些光生載流子能夠快速遷移到光催化劑表面，參與對(duì)羅丹明B的降解反應(yīng)，使得降解率明顯提高。與純Bi?WO?相比，Bi?WO?-Ag復(fù)合光催化劑在可見(jiàn)光照射60min后，對(duì)羅丹明B的降解率達(dá)到了90%以上，而純Bi?WO?的降解率僅為50%左右。在光催化殺菌實(shí)驗(yàn)中，BiOCl-Ag復(fù)合光催化劑對(duì)大腸桿菌的殺菌效果也與其光吸收性能密切相關(guān)。由于復(fù)合光催化劑能夠吸收更多的可見(jiàn)光，產(chǎn)生更多的活性物種，如羥基自由基（?OH）和超氧自由基（?O??），這些活性物種能夠有效地破壞大腸桿菌的細(xì)胞膜和細(xì)胞壁，使細(xì)菌失去活性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在光照120min后，BiOCl-Ag復(fù)合光催化劑對(duì)大腸桿菌的殺菌率達(dá)到了95%以上，而純BiOCl的殺菌率僅為70%左右。4.3.3光生載流子的分離與復(fù)合對(duì)性能的影響PL光譜分析結(jié)果表明，Bi-Ag基復(fù)合光催化劑的光生載流子復(fù)合情況對(duì)其光催化性能有著重要影響。在Bi?WO?-Ag復(fù)合光催化劑的PL光譜中，與純Bi?WO?相比，復(fù)合光催化劑的光致發(fā)光強(qiáng)度明顯降低。這表明Ag的引入有效地抑制了光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合，延長(zhǎng)了光生載流子的壽命。光生載流子的復(fù)合率降低，使得更多的光生載流子能夠遷移到光催化劑表面，參與光催化反應(yīng)，從而提高了光催化活性。在BiOCl-Ag復(fù)合光催化劑的PL光譜中，同樣觀察到了光致發(fā)光強(qiáng)度的降低。這說(shuō)明BiOCl與Ag之間形成的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)促進(jìn)了光生載流子的分離，減少了復(fù)合幾率。這種高效的光生載流子分離機(jī)制使得BiOCl-Ag復(fù)合光催化劑在光催化反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。光生載流子的分離與復(fù)合對(duì)光催化性能的影響在實(shí)際光催化反應(yīng)中得到了充分體現(xiàn)。在光催化產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn)中，Bi?WO?-Ag復(fù)合光催化劑由于其光生載流子的分離效率高，復(fù)合率低，在光照條件下能夠持續(xù)產(chǎn)生氫氣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在相同的反應(yīng)條件下，Bi?WO?-Ag復(fù)合光催化劑的光催化產(chǎn)氫速率明顯高于純Bi?WO?，達(dá)到了50μmol/h，而純Bi?WO?的產(chǎn)氫速率僅為20μmol/h。在光催化二氧化碳還原實(shí)驗(yàn)中，BiOCl-Ag復(fù)合光催化劑也表現(xiàn)出了良好的性能。由于光生載流子能夠有效地分離并參與反應(yīng)，該復(fù)合光催化劑能夠?qū)⒍趸几咝У剡€原為一氧化碳和甲烷等產(chǎn)物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在光照10h后，BiOCl-Ag復(fù)合光催化劑對(duì)二氧化碳的還原產(chǎn)物中一氧化碳的產(chǎn)量達(dá)到了50μmol，甲烷的產(chǎn)量達(dá)到了10μmol，而純BiOCl的還原產(chǎn)物產(chǎn)量較低。4.3.4影響光催化性能的其他因素分析研究發(fā)現(xiàn)，催化劑負(fù)載量對(duì)光催化性能有著顯著影響。在光催化降解羅丹明B的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)Bi-Ag基復(fù)合光催化劑的負(fù)載量從0.05g增加到0.1g時(shí)，羅丹明B的降解率逐漸提高。這是因?yàn)樵黾哟呋瘎┴?fù)載量可以提供更多的活性位點(diǎn)，使更多的羅丹明B分子能夠吸附在催化劑表面，從而促進(jìn)光催化反應(yīng)的進(jìn)行。當(dāng)負(fù)載量繼續(xù)增加到0.15g時(shí)，降解率反而有所下降。這可能是由于過(guò)多的催化劑顆粒導(dǎo)致光散射增強(qiáng)，減少了光催化劑對(duì)光的吸收，同時(shí)也可能導(dǎo)致活性位點(diǎn)的聚集，降低了活性位點(diǎn)的利用率。反應(yīng)溫度對(duì)光催化性能也有重要影響。在一定范圍內(nèi)，隨著反應(yīng)溫度的升高，光催化反應(yīng)速率加快。以光催化殺菌實(shí)驗(yàn)為例，當(dāng)反應(yīng)溫度從25℃升高到35℃時(shí)，Bi-Ag基復(fù)合光催化劑對(duì)大腸桿菌的殺菌率明顯提高。這是因?yàn)闇囟壬呖梢栽黾臃肿拥臒徇\(yùn)動(dòng)，提高反應(yīng)物在催化劑表面的吸附和反應(yīng)速率。當(dāng)反應(yīng)溫度過(guò)高時(shí)，如達(dá)到45℃，殺菌率反而下降。這可能是因?yàn)楦邷貙?dǎo)致光催化劑的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，或者使反應(yīng)體系中的活性物種失活，從而降低了光催化性能。溶液pH值對(duì)光催化性能同樣有不可忽視的影響。在光催化降解實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)溶液pH值為酸性（pH=3）時(shí)，Bi-Ag基復(fù)合光催化