β-Bi2O3/BiOI异质结的制备及其有效去除有机染料的光催化作用

doi:10.1016/S1872-2067(15)60974-3

催化学报 ›› 2015, Vol. 36 ›› Issue (12): 2119-2126.DOI: 10.1016/S1872-2067(15)60974-3

β-Bi₂O₃/BiOI异质结的制备及其有效去除有机染料的光催化作用

韩穗奇, 李佳, 杨凯伦, 林隽

中国人民大学化学系, 北京 100872

收稿日期:2015-08-14 修回日期:2015-09-14 出版日期:2015-12-02 发布日期:2015-12-07
通讯作者: 林隽
基金资助:
国家自然科学基金(21273281); 国家重点基础研究发展计划(973计划, 2013CB632405).

Fabrication of a β-Bi₂O₃/BiOI heterojunction and its efficient photocatalysis for organic dye removal

Suiqi Han, Jia Li, Kailun Yang, Jun Lin

Department of Chemistry, Renmin University of China, Beijing 100872, China

Received:2015-08-14 Revised:2015-09-14 Online:2015-12-02 Published:2015-12-07
Supported by:
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (21273281) and the National Basic Research Program of China (973 Program, 2013CB632405).

摘要/Abstract

摘要：

窄带半导体氧化铋(Bi₂O₃,带宽介于2.1-2.8eV)因其强的可见光吸收和无毒性等特性而一直被认为是潜在的可见光催化材料.通常,Bi₂O₃具有α,β,γ,δ,ε和w等六种晶型,其中,α,β和d-Bi₂O₃具有催化可见光降解有机物的活性.可是,由于其光生电子-空穴复合较快,Bi₂O₃的光催化活性还很低,远不够实际应用.将半导体与另一种物质如贵金属或其他半导体复合形成异质结是一种有效控制光生电子-空穴复合,提高光催化活性的方法.目前已成功开发了许多Bi₂O₃基的异质结光催化材料.尤其是通过用卤化氢酸与α-Bi₂O₃直接作用原位形成的α-Bi₂O₃与铋的卤氧化合物BiOX(X=Cl,Br或I)的异质结在提高光催化活性和制备方面显示了优越性.然而,具有更强可见光吸收的β-Bi₂O₃(带宽约2.3eV)与卤氧化合物的异质结光催化性能却鲜有报道.本文通过用HI原位处理β-Bi₂O₃形成β-Bi₂O₃/BiOI异质结.该异质结表现较纯β-Bi₂O₃和BiOI更高的降解甲基橙(MO)可见光催化活性.通过多晶X射线衍射(XRD)、紫外漫散射(UV-DRS)、扫描电镜、透射电镜(TEM)、X光电子能谱(XPS)和荧光(PL)等手段研究了β-Bi₂O₃/BiOI异质结,并提出其高催化活性的机理.
XRD结果显示,用HI原位处理β-Bi₂O₃可形成BiOI相,并且随着HI使用量增加,混合物中的BiOI相逐渐增多.HRTEM结果进一步表明,在混合物中的β-Bi₂O₃和BiOI都是高度结晶态,且两相之间有很好的接触,从而有利于两相之间的电荷移动.根据UV-DRS和ahv=A(hv-E_g)ⁿ^/2等公式,计算出了β-Bi₂O₃和BiOI带隙分别为2.28和1.77eV,以及两种半导体的导带和价带位置.β-Bi₂O₃的导带和价带位置分别为0.31和2.59eV,而BiOI的导带和价带位置分别为0.56和2.33eV.这样两种半导体能带结构呈蜂窝状,显然不适合光生电子-空穴的分离.然而,XPS测定结果显示,β-Bi₂O₃和BiOI相互接触形成异质结后,β-Bi₂O₃相的电子向BiOI相发生了明显的移动.根据文献报道,当两种费米能级不同的半导体接触时,电子会从费米能级高的半导体移向费米能级低的半导体,直至建立新的费米能级.β-Bi₂O₃被报道是典型的n型半导体,其费米能级在上靠近其导带位置;而BiOI是典型的p型半导体,其费米能级在下靠近其价带位置.基于此,我们提出了β-Bi₂O₃/BiOI异质结高催化活性的机理.当β-Bi₂O₃与BiOI形成异质结时,由于β-Bi₂O₃的费米能级较BiOI的高,因而电子从β-Bi₂O₃转向BiOI,直至新的费米能级形成.因此电子在两相之间移动导致了β-Bi₂O₃能带结构整体下移,以及BiOI能带结构整体上移,使得新形成的BiOI导带和价带位置高于β-Bi₂O₃的.当该异质结在可见光的照射下,光生电子将移至β-Bi₂O₃的导带,而空穴会移至BiOI的价带,最终达到了光生电子-空穴分离的效果,产生高的光催化活性.PL测试也证实了β-Bi₂O₃/BiOI异质结具有更长的光生电子-空穴寿命.

关键词: 光催化, 异质结, 氧化铋, 铋的卤氧化合物, 甲基橙

Abstract:

To improve β-Bi₂O₃ photocatalysis, we couple β-Bi₂O₃ with BiOI to form β-Bi₂O₃/BiOI heterojunctions through an in-situ treatment with hydriodic acid. The prepared heterojunctions are characterized with X-ray diffraction, field emission scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, ultra violet-diffuse reflectance spectroscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy. Upon visible-light irradiation (λ > 420 nm), the β-Bi₂O₃/BiOI heterojunctions, especially with the molar ratio of HI to β-Bi₂O₃ at 0.4, exhibit much higher photocatalytic activity than pure β-Bi₂O₃ and BiOI for the degradation of methyl orange. The efficient separation of photogenerated electron-hole pairs across the interface of the heterojunction between β-Bi₂O₃ and BiOI would be responsible for the enhanced photocatalytic performances.

Key words: Photocatalysis, Heterojunction, Bismuth trioxide, Bismuth oxyiodide, Methyl orange

韩穗奇, 李佳, 杨凯伦, 林隽. β-Bi₂O₃/BiOI异质结的制备及其有效去除有机染料的光催化作用[J]. 催化学报, 2015, 36(12): 2119-2126.

Suiqi Han, Jia Li, Kailun Yang, Jun Lin. Fabrication of a β-Bi₂O₃/BiOI heterojunction and its efficient photocatalysis for organic dye removal[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2015, 36(12): 2119-2126.

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β-Bi₂O₃/BiOI异质结的制备及其有效去除有机染料的光催化作用

Fabrication of a β-Bi₂O₃/BiOI heterojunction and its efficient photocatalysis for organic dye removal

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