钨酸盐晶相抑制剂在水热合成高活性m-BiVO4光催化剂中的作用

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单斜白钨相(m-BiVO4)具有带隙小(2.4 e V)、无毒、低成本以及相对较优的化学稳定性和光稳定性等特点,是目前最有吸引力的水氧化光催化材料之一。进一步提高其光催化活性是走向应用的关键,本文以Bi(NO3)3·5H2O与NH4VO3为原料,在p H=2、温度180℃和反应时间为24 h的水热条件下,引入Na2WO4和H3PW12O40作为晶相转移抑制剂,通过构筑同质结和暴露晶面调控等手段,进行高活性m-BiVO4光催化剂的研制。得到如下研究结果:在合成过程中加入少量的Na2WO4晶相抑制剂不会使m-BiVO4光催化剂的晶相发生改变并且晶格内不会引入杂离子,但可以在表面形成具有高氧空穴位的无序层包覆的m-BiVO4光催化剂。在可见光照射下,以Ag+作为电子清除剂,加入Na2WO4的量为NH4VO3的1/20000时,获得的m-BiVO4-500样品具有最佳的光催化性能,平均放氧速率达到722.8mmol h-1 g-1,是m-BiVO4-0的21.2倍。电化学水氧化性能测试结果表明,该样品的电极可获得最佳的电流值,电流密度为12.7μA cm-2,是m-BiVO4-0电极的8.8倍以上。其催化活性提高主要归因于单斜相钒酸铋颗粒与表面无序层构筑的同质结与表面氧空穴位共同作用的结果。作为对比,将加入Na2WO4的量提高为NH4VO3的1/2000,将水热温度提高到240℃,得到单斜相m-BiVO4-5000样品,W掺杂进入m-BiVO4样品晶格位点中,没有显示出较高的光催化水氧化活性,仅为未修饰m-BiVO4-0样品的1.8倍。通过在合成过程中加入H3PW12O40作为晶相抑制剂,合成了具备暴露(111)晶面的W掺杂的BiVO4光催化剂。发现随着H3PW12O40加入量的增加,生成的BiVO4样品的四方相的含量逐渐增加,单斜相的含量逐渐减少,说明H3PW12O40对BiVO4从四方相向单斜相转变有抑制作用。同时发现,随着H3PW12O40加入量的变化,m-BiVO4样品形貌发生变化,I(010)/I(110)晶面比值减小,出现暴露(111)晶面。在可见光照射下,研究了BiVO4样品光催化产氧活性与电催化活性,发现存在暴露(111)面的单斜相BiVO4催化活性明显提高,说明单斜相(111)晶面亦是反应活性中心。
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