铋改性TiO2光催化剂的制备及其光催化性能

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.230395

摘要/Abstract

摘要：

光催化剂是污水处理领域必不可少的光催化原料，为获得较高的降解效果，研究制备了铋改性TiO₂光催化剂（Bi-TiO₂光催化剂）并分析其光催化性能。分别制备铋基材料与TiO₂溶液，混合上述2种物质获得铋改性TiO₂光催化剂。以甲基橙作为试验模型溶液，测试铋基材料与TiO₂比例不同时该光催化剂的催化性能，以及不同温度条件、光照条件和光催化时长时的光催化性能变化情况，以验证甲基橙溶液浓度、pH值对于光催化效果的影响。实验结果显示，铋基材料与TiO₂的质量比为1∶1时，该光催化剂的降解效果与脱色效果最佳，具有良好光催化效果。 Bi-TiO₂光催化剂展现出不同程度的甲基橙降解能力，其降解值随着铋基材料与TiO₂比例的变化呈现先增大后减小的趋势。温度为45 ℃，光照条件为15 h时，该催化剂光催化性能最佳，温度达到120 ℃以上时，光催化剂的光催化效果趋于稳定。甲基橙质量浓度为20 mg/L、pH值为4时，光催化性能更加理想。甲基橙质量浓度对Bi-TiO₂光催化剂的光催化性能影响较小，无论甲基橙溶液的质量浓度如何变化，光催化剂均能展现出较强的光催化效果，并且在甲基橙质量浓度为20 mg/L时表现出最佳脱色效果。 pH值为4时，光催化剂展现出最高的甲基橙脱色率。由此可知，通过引入铋元素可以显著提高TiO₂的光催化性能和可见光响应能力。

关键词: 铋基材料, 改性TiO₂, 光催化性能, 甲基橙

Abstract:

In order to achieve higher degradation efficiency， it is indispensable to use photocatalysts in the field of wastewater treatment. Researching and preparing bismuth-modified TiO₂ photocatalysts （Bi-TiO₂ photocatalysts） and analyzing their photocatalytic performance are essential. Bismuth-based material and TiO₂ solution were separately prepared， and by mixing the two substances， the bismuth-modified TiO₂ photocatalyst was obtained. Using methyl orange as the test model solution， the catalytic performance of this photocatalyst at different ratios of bismuth-based material to TiO₂， different temperature conditions， light conditions， and photocatalytic durations was tested to verify the impact of methyl orange solution concentration and pH value on the photocatalytic effect. Experimental results showed that when the mass ratio of bismuth-based material to TiO₂ was 1∶1， the photocatalyst exhibited the best degradation and decolorization effects， demonstrating excellent photocatalytic performance. The Bi-TiO₂ photocatalyst exhibited varying degrees of methyl orange degradation ability， with the degradation rate initially increasing and then decreasing with the change in the ratio of bismuth-based material to TiO₂. The optimal photocatalytic performance of this catalyst was observed at a temperature of 45 ℃ and under 15 h of light exposure. When the temperature exceeded 120 ℃， the photocatalytic effect of the catalyst tended to stabilize. The photocatalytic performance was more ideal at a methyl orange mass concentration of 20 mg/L and a pH value of 4. Environmental concentration had minimal impact on the photocatalytic performance of the Bi-TiO₂ photocatalyst. Regardless of the variation in methyl orange mass concentration， the catalyst exhibited strong photocatalytic effects， with the best decolorization effect observed at a methyl orange mass concentration of 20 mg/L. The catalyst showed the highest methyl orange decolorization rate at a pH value of 4. Therefore， it is evident that the introduction of bismuth significantly enhances the photocatalytic performance and visible light responsiveness of TiO₂.

Key words: Bismuth-based materials, Modified TiO₂, Photocatalytic performance, Methyl orange

中图分类号:

O611

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图/表 10

图1 TiO2和Bi-TiO2样品的晶体结构

Fig.1 Crystal structure of TiO2 and Bi-TiO2 samples

图2 （A、B） Bi-TiO2光催化剂的SEM；（C） Bi-TiO2光催化剂的HRTEM；（D） Bi-TiO2光催化剂的SAED；（E） Bi-TiO2光催化剂的EDS

Fig.2 （A， B） SEM of bismuth modified TiO2 photocatalyst；（C） HRTEM of bismuth modified Bi-TiO2 photocatalyst；（D） SAED of bismuth modified Bi-TiO2 photocatalyst；（E） EDS of bismuth modified Bi-TiO2 photocatalyst

图3 Bi-TiO2光催化剂的XPS

Fig.3 XPS of Bi-TiO2 photocatalyst

图4 Bi-TiO2光催化剂的紫外-可见光漫反射谱

Fig.4 UV-visible diffuse reflectance spectra of Bi-TiO2 photocatalyst

图5 光催化剂的降解曲线

Fig.5 Degradation curve of the photocatalysts

图6 不同温度下光催化剂的降解率（A）和脱色率（B）

Fig.6 Change in the degradation （A） and decolorization （B） rate of the photocatalyst under different temperature conditions

图7 改性前TiO2（A）和Bi-TiO2（B）光催化剂的降解率

Fig.7 The degradation rate of TiO2 photocatalyst before modification （A） and Bi-TiO2 photocatalyst （B）

图8 甲基橙质量浓度对光催化性能的影响

Fig.8 The influence of environmental the mass concentration of methyl orange on photocatalytic performance

图9 pH值对光催化性能影响

Fig.9 The effect of pH value on photocatalytic performance

图10 Bi-TiO2光催化剂中电荷转移过程示意图

Fig.10 Schematic diagram of charge transfer process in Bi-TiO2 photocatalyst

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Preparation and Photocatalytic Performance of Bismuth Modified TiO₂ Photocatalyst

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