基于锶铋的催化活性成分和碳酸铋的可见范围

文摘

介绍了有关研究结果保留活性成分的性质锶铋SrBi_2.70O_5.05,SrBi_2.90O_5.35,SrBi_3.25O_5.88和碳酸铋(生物)₂有限公司₃在摩尔比率1/0.67 1/0.56 1/0.37,分别。这些作品通过热解合成有机前驱配合物的锶铋和山梨糖醇。它建立了合成的粉末材料吸收光的可见范围500 nm由于窄隙半导体锶铋的存在。的宽带半导体(生物)₂有限公司₃确保一个有效的电子空穴对的分离。漫反射光谱(DRS)的作品不同于这些半导体的类似的机械混合物的光谱阶段相同的成分,它允许一个假设heterostructural半导体的结构系统。证实了相同的异质结构映射的结果。催化粒子合成温度为500°C包含27个质量%(生物)₂有限公司₃(对应于SrBi_2。9O_5.35/(生物)₂有限公司₃= 1/0.56)最大的活动对光解作用的亚甲蓝(MB)。的可能性控制的光学性质和催化活性成分被描述由于锶铋联合形成阶段和铋碳酸盐阶段。

1。介绍

有机化合物通常废水的主要有毒成分不同的起源。光催化成为一种很有前途的技术的净化后的出版的一个开创性的作品在这方面,1977年由弗兰克和吟游诗人写(1]。另一方面,研究关于保留活跃半导体后开始大力发展Fujishima和本田的著名的出版工作(2),导致大量的出版系列文章由不同作者致力于使用光能量从水中获得氢。上述过程是基于光解水的现象表面上的半导体在光的作用下。结果,强氧化剂,如原子氧、氢氧化自由基、过氧化氢、等等,生产能力保证深度氧化的有机化合物。毫无疑问利用这种方法涉及有机去除是缺乏定期额外的化学试剂的成本。因此,光催化净化发现广泛应用的方法,从治疗的最后阶段的饮用水取水口站在炼油等行业进行污水处理,油漆和清漆和纺织品。

寻找新的催化地活跃的系统,能够光解水的影响下阳光,创造作品的目的进行了基于窄隙半导体有吸收区域在可见光谱范围内(3,4]。特别是,它们包括基于过渡金属氧化物半导体。然而,催化剂的组成有明显的劣势与重金属的毒性包括在他们(如Cd和Pb) [5- - - - - -7),这使得它不可能利用这些物质对水的净化。众所周知,铋是一个例外的重金属中毒性风险。其毒性是如此微小,铋化合物被发现,例如,作为抗酸剂广泛应用于药理学代理口服药(8,9]。这是由于这样的事实:移动阳离子形式的铋不是形成于碱性、中性、弱酸性的媒体。因此,在水的净化,其饱和度对铋是排除在外。在铋化合物、高催化活性与锐钛矿显示存在碳酸盐(生物)₂有限公司₃。然而,内在的地区位于紫外吸收光谱中。使敏感(生物)₂有限公司₃可见光,掺杂氮(10,11]。其他铋化合物,例如窄带半导体CaBi₆O₁₀,不需要使用添加剂,因为它们的特点是固有的吸收在可见光谱范围12,13]。然而,他们更有效的对有机化合物的光解作用。增加窄带半导体的反应性的一个方法是创建heterostructural与差距半导体复合材料。

作为一个规则,两相成分合成在两个阶段:首先,获得的主要组件,之后第二个组件是在其表面形成的。生产在这个方法中,很难实现统一的共同配送的半导体体积有关。因此,在我们的研究中,我们使用以前开发的热解与山梨糖醇(基于铋复合物的合成方法14),同时产生两个半导体构成。作为一个差距半导体(生物)₂有限公司₃成立于组成。此外,由于实现了可见光的吸收锶铋的引入,它占据了中心位置在固体SrO-Bi提出解决方案₂O₃图(15]。本研究的目的是创建和研究SrBi的属性_xO_y/(生物)₂有限公司₃各种成分的化合物,这取决于合成条件。此外,它的目的,揭示了相组成的催化剂,提供最大的光催化活性成分的分解有机染料。

2。实验

SrBi₄O₇和几个成分基于它是通过修改后的热解法合成。以前,我们使用这个方法来获得CaBi₆O₁₀。硝酸锶Sr(没有₃)₂(穿越),硝酸铋五水化物Bi(没有₃)₃h·5₂C O(穿越),山梨糖醇₆H₁₄O₆作为基于SrBi前体合成的复合材料_xO_y。

量前体山梨糖醇的混合物的成分相比,增长了1.5倍16),使得有限的数量₂(生物)₂有限公司₃,连同SrBi_xO_y,增加。Sr(没有的混合物₃)₂,Bi(不₃)₃h·5₂O和山梨糖醇(Sr Bi = 1: 4摩尔比)在研钵磨。磨混合自发形成了一个透明的粘性解由于水化水硝酸盐。热解前驱的混合物是由空气中180°C。随后,正交混合物加热到温度的300,400,500,600,700°C和等温地24小时举行。获得的SrBi_xO_y/(生物)₂有限公司₃作品已被指定为SBC-X, X表示合成温度。(生物)的浓度₂有限公司₃在获得样品测定盐酸溶液溶解样品的10%。随后,公司的数量₂释放估计利用Ba(哦)₂解决方案。此外,Brunauer-Emmett-Teller(打赌)样品的比表面积测定通过N₂通过使用4.1 Sorbi吸附在77 K。分析器。水晶在一个阶段的样品被确认通过利用x射线衍射和CuK DRON-7衍射仪α(λ= 1.5406)作为辐射源,在40 kV和40 mA。此外,紫外和可见漫反射光谱进行MDR-41分光光度计系统配备一个积分球依恋,贝索₄为背景。粒子的表面形态和分布研究了LEO 1430 vp SEM,采用加速15千伏的电压。

此外,光催化实验使用一个自动执行光度单位(17]。样品的光催化活动SBC-X进行评估通过亚甲基蓝溶液的降解(1.2 mg·L⁻¹350毫升)在不同光射线放电灯Aqua弧欧司朗,森林城(250 W,连续光谱λ= 380 - 850 nm)。光催化剂样品的质量是200毫克。灯的光谱相似的光谱分布辐射强度对阳光。减少紫外线范围,一个过滤器(λ> 380海里)受雇。在辐照过程中,解决方案是使用IKA搅拌RO10电磁搅拌器。光催化体系的温度维持在25^o优莱博C利用水冷恒温器(F25-ED)。

3所示。结果与讨论

研究阶段形成的过程在系统中进行调查在加热产生了以下的结果。作文300 - 400°C由三个阶段组成。在温度范围,组成500 - 600°C两阶段组成。在700°C,作文成为单相。这可以从XRD(图1)。在这些样品的x射线衍射模式,有明显的反射属于αbi₂O₃(生物)₂有限公司₃。此外,还有峰对应于一个SrO-Bi的固溶体₂O₃系统与化学计量学与SrBi相似₃O_5.5(icdd - 45 - 609)。此外,分析样品的x射线衍射模式sbc - 400显示,Bi的浓度₂O₃减少在这方面,这表明Bi的介绍吗₂O₃固溶体的锶铋。在这个示例中,(生物)₂有限公司₃还没有分解。衍射峰的强度不会改变相比,南方浸信会- 300。样品的x射线衍射模式sbc - 500,增加反射的强度是3.14。这表明铋酸锶的固溶体继续通过整合形成的未反应的氧化铋。在温度高达600°C(生物)₂有限公司₃是部分分解,其反射的强度降低。分解过程中形成的氧化铋(生物)₂有限公司₃根据锶铋进入固溶体。这个过程的特点是增加3.14反射的强度。在温度为700°C,这个过程涉及的形成的固溶体锶铋结束。这是确认的位移峰值在该地区的大角度,通过改变两个主要阶段反应的比率(3.11和3.07)锶铋。因此,衍射图样假设的形式是典型的固溶体与化学计量学接近SrBi锶铋₄O₇。根据XRD的结果,碳酸锶阶段没有发现。

化学分析显示,碳酸盐的浓度在获得的样本300°C到400°C大约是相同的和等于29-32 wt %。内容(生物)₂有限公司₃在示例sbc - 500是约27%和18% sbc - 600组成。

映射的结果表明,有地区主要含锶和无关紧要的碳量。与XRD数据相比,这些区域是可识别的,像锶铋的阶段。剩余的样品表面含有铋,氧气和碳,但如此微不足道的数量的锶碳酸铋,很容易辨认。从图可以看出2碳酸铋相具有较高的粗糙度,而bismuth-strontium阶段是由表面光滑。这种结构的形成可能是由于外延生长过程中共同合成的半导体构成成分。合成成分是由两个主要的粒子分数,小((生物)₂有限公司₃)具有纳米尺寸范围,大的有一个strontium-bismuthate相粒子大小约为1.5 - -3.5μ米,形成附聚物。团聚体的平均尺寸是在20 ~ 50岁不等μm。

XRD数据进行比较分析和化学分析,可以认为所得成分有以下内容(表1)。通常称为(15),SrO-Bi的相图₂O₃而有一个广泛的固体的解决方案。根据提炼数据(18条件下,形成固溶体,Sr: Bi原子比例范围从1:2.5 - 1:7.5,这意味着它对应于从SrBi化合物与化学计量学_2。5O_4.75对SrBi_7.5O_12.25。根据XRD数据,形成的锶铋与Sr:作文是最接近化学计量SrBi Bi 1: 3₃O_5.5(icdd - 45 - 609),因此,是一个代表这些一系列的固体的解决方案。锶铋的反射特性确定了样品sbc - 400,西南贝尔- 500和西南贝尔- 500。然而,更准确的识别化学计量的锶铋从XRD数据是不可能的,因为样品包含(生物)₂有限公司₃,其主要反应的反射叠加或接近锶铋从上面的一系列可靠的解决方案。为了更准确地识别形成铋的化学计量学阶段,我们另外进行了化学分析,有可能确定的内容(生物)₂有限公司₃的样本。进一步,一个简单的计算,基于以下事实:首先,总原子Sr: Bi比率在所有获得的成分是等于1:在合成4,其次,南方浸信会的样品——400年,南方浸信会- 500和西南贝尔- 600是两阶段,第三,(生物)的内容₂有限公司₃从化学分析是准确的。因此,通过了解铋的份额去形成(生物)₂有限公司₃,可以计算铋的分享,去锶铋酸的形成,即。澄清Sr的化学计量学:Bi(表形成的固溶体1)。以这种方式获得的数据与XRD的结果有很好的一致性。Sr:调整Bi比率实际上是接近1:3,1/2.7 1/2.9,和1/3.25 sbc的样本——400年,南方浸信会- 500,分别和西南贝尔- 600。组成西南贝尔- 300(基于x射线衍射数据)是三相的,因为它包含,除了上述两个阶段,Bi₂O₃。因此,使用上述序列的计算与它不会是正确的。出于这个原因,样品sbc - 300不包括在表中1。更详细的研究并不是本文的目的,由于作品由三氧化二铋和碱土金属铋以前由许多作者研究,例如,在[10- - - - - -12];此外,样本sbc - 300没有表现出高的催化活性。

sbc - 400构成的最大比表面积3.5 m²(表/ g,根据选择分析2)。增加合成温度从400°C到600°C会导致样品的比表面积是减少到3.0²/ g。这可能是由于碳酸盐阶段的逐步分解(生物)₂有限公司₃的粗化粒子属于锶铋的形成固溶体。碳酸盐岩是完全分解时,单相SrBi₄O₇获得的样本在700°C的比表面积为2.4²/ g。这是与纯粹的特定区域αbi₂O₃(2.2米²/ g),以同样的方式获得的。因此,碳酸盐阶段的存在有助于形成一个更发达的表面两阶段组成。

基于每个合成成分的DRS, SrBi₄O₇,(生物)₂有限公司₃,Kubelka-Munk函数F(R(1 - 0.5)=R)²/ (R1)计算,R代表了反射系数。带隙的宽度从函数的交点确定图的线性部分(F(Rhν)^½的轴abscissae:光子能量hν(图3)。据相关估计,SrBi禁带的宽度₄O₇(生物)₂有限公司₃是分别为= 2.50 eV和3.38 eV。此外,分析依赖项(F(R高压)^½作文sbc - 500和西南贝尔- 600显示,它们可以分为两个线性部分我和二世(图3)。他们是一个图形的叠加两种半导体构成成分。部分我对应于碳酸铋,而部分二世对应于铋酸锶。随着合成温度的增加,部分我减少,部分二世分别增加由于铋酸锶的比例增加固体的解决方案。比较类似的曲线关于SrBi 73%的机械混合物₄O₇+ 27%(生物)₂有限公司₃,一个人可以注意到他们之间有明显的区别。光学性质的调查表明,DRS的光谱成分并不意味着简单的叠加形式的半导体阶段和不同的机械混合物的光谱成分相同。独特的功能是吸收特征区域的范围200 - 270 nm,缺席在各个阶段的光谱成分的成分和一个简单的机械混合物的光谱与相关的组成成分。

研究合成的催化活性材料表明,它们的使用可以让一个提高分解率的亚甲蓝和可见光照射。动能依赖性的有机染料的浓度的变化,在合成的成分SBC 300 - 700, SrBi₄O₇,αbi₂O₃图中所示4。SrBi的单相样品₄O₇和αbi₂O₃具有催化活性最低。此外,SrBi的活动₄O₇适度高于氧化铋。这是由于SrBi吸收更广泛的地区₄O₇。两相的成分在所有情况下的催化活性是观察到的要高。我们认为这个结果cocatalytic SrBi的互动的效果_xO_y/(生物)₂有限公司₃阶段形成的成分。它的发生可能是由于heterostructural的结构成分的性质。这是确认数据的扫描电镜图像的映射。外延生长的可能性也表示了类似的x射线结构参数的获得锶铋和碳酸铋。为了验证这个假设,单独的机械混合物准备SrBi获得₄O₇(生物)₂有限公司₃阶段和一个完全相同的南方浸信会- 500样本,表现出最大的催化活性。催化活性的混合物(图做好了准备4)之间的一个中间值组成的活动阶段和较低的活动获得的任何成分,包括西南贝尔- 500。因此,joint-phase形成在合成是一种光催化的高效操作组成的先决条件。

在500°C样品合成展览最大的催化活性。这可能是相关的形成所需数量的锶铋,tslp系统可见光。相反,(生物)₂有限公司₃保留足够数量(27%)为催化剂的高效运作。数量减少到18%,南方浸信会- 600催化剂的效率降低。在样本sbs - 400(32% -(生物)₂有限公司₃),没有足够的锶铋,因此催化剂不能够吸收可见光的能量。反应速率常数(k)是由确定的线性回归方程的参数(C_t/ C₀)=f(t)依赖关系。所得的值k一直在桌子上吗2。众所周知,样品正在研究有不同的特定的表面区域。正确的催化活性的比较,速率常数k_年代·10⁻⁴正常化,特定的表面,计算(表2)。与样品的合成温度的增加,其催化活性增加,成为最大的南方浸信会- 500组成(k_年代= 4.69)。先在温度进一步提高导致下降k_年代常数为南方浸信会(4.33)- 600年样本。随后,将会呈现出一种明显的下降k_年代(3.33)在700°C的温度,当构成单相。比较分析获得的数据k_年代显示的高催化活性成分与单相和机械混合物相比主要是由于heterostructural阶段内容,不仅开发了表面。

4所示。讨论

这项研究的结果可以解释为考虑cocatalytic获得的影响SrBi成分的不同阶段_xO_y/(生物)₂有限公司₃。这种结构的形成可能是由于外延生长过程中共同合成半导体构成成分。此外,外延生长的可能性也显示类似的x射线结构参数的获得锶铋和碳酸铋。73%的混合物SrBi的催化活性₄O₇+ 27%(生物)₂有限公司₃(图4)展示了一个中间值之间的活动其组成阶段,都不如的活动产生的成分,包括西南贝尔- 500。因此,heterostructural阶段的形成在合成过程中增加了光催化的效率组成。此外,价值观与价带的边界(VB)和传导带SrBi (CB)₄O₇(生物)₂有限公司₃化合物计算通过使用下列方程(19]: 在哪里意味着半导体的绝对电负性,计算的几何平均数的绝对电负性(原子形成值SrBi₄O₇(生物)₂有限公司₃5.76 eV和6.54 eV,职责。);代表了绝对的潜力标准氢电极(4.5 eV);表示优势潜力(潜在的);标志着优势潜力(值);代表了半导体的带隙的能量,这是实验获得的光谱分析。根据计算,上部的边界区和较低的边界SrBi₄O₇分别是2.51 eV和0.01 eV,而对于(生物)₂有限公司₃是3.73和0.35 eV。获得样品的能带结构可以描述的形式电路如图5。

暴露于可见光产生电子空穴对的产生只在窄带半导体SrBi₄O₇,因为(生物)₂有限公司₃没有能力利用的能量谱的可见部分(图5)。的能量和SrBi₄O₇高于(生物)₂有限公司₃。此外,过渡photogenerated电子SrBi传导带的₄O₇导带(生物)₂有限公司₃是积极有利的。因此,电子积聚在差距半导体的导带,而洞SrBi留在价带₄O₇,从而导致空间电荷载体的分离。因此,电荷载体的寿命显著增加,这有助于形成一个更有效的关于光解水的流动。的值潜在的半导体(0.01和0.35 eV)低于O₂/小时₂O₂潜在的,它保证了溶解氧的减少过氧化氢:

随后,过氧化物与氢氧自由基能够重组,这是毁灭的有机化合物的活性成分。另外,氢氧自由基的形成也发生在一个窄隙半导体,因为的价值对于SrBi₄O₇(2.51 eV)相比,是更积极的氢氧根离子的氧化潜力光穴:

光穴中SrBi₄O₇反过来,可以直接氧化MB吸收染料分子在半导体表面。

5。结论

(我)通过该方法与相应的金属配合物的氧化热解与山梨糖醇、描述,可以获得一个基于锶铋和碳酸铋的合成。的光催化活性成分的作用下可见光高于机械混合物的成分相同,αbi₂O₃和SrBi₄O₇阶段。最大的催化活性成分所具有的获得在500到600°C包含73 - 82质量。%,SrBi_xO_y,27-18质量。%(生物)₂有限公司₃;它对应的锶铋SrBi_2。9O_5.35,SrBi_3.25O_5.88和碳酸铋(生物)₂有限公司₃在摩尔比率1/0.56;分别1/0.37。(2)光学性质的调查表明,DRS的光谱成分并不意味着简单的叠加形式的半导体阶段和不同的机械混合物的光谱成分相同。独特的功能是吸收特征区域的范围200 - 270 nm,缺席在各个阶段的光谱成分的成分和一个简单的机械混合物的光谱与相关的组成成分。(3)DRS的分析和映射的结果表明heterostructural成分的性质。这种结构的形成可能是由于外延生长,碳酸铋在锶铋的合成SrBi_xO_y/(生物)₂有限公司₃。(iv)关于半导体的光催化活性的机制阶段形成了构图的基础上解释了带结构的分析。(v)结果在场的工作前景创造环境安全、高效催化剂基于铋的化合物对可见光照射很敏感

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

引用

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