碘氧化铋磁性光催化剂制备方案设计

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摘要：水资源污染问题越发严重，光催化技术作为一种新型的环境友善的催化方法，吸引了大批科学家的关注。然而传统的催化剂具有对可见光响应率低，回收困难等一系列难题，所以应用磁性材料作为载体，研制新型高效可见光光催化材料有重要的理论与现实意义。文章通过比较碘氧化铋、钡铁氧体及复合材料的合成方法及其主要影响因素，结合实验室条件，制定出BiOI/BaFe12O19磁性光催化剂最适宜的合成方法及实验方案。

关键词：光催化材料；合成方法；影响因素

引言

近些年来，光催化技术作为一种新型的环境友善的水处理技术，成为了科学家们关注的热点。在铋系材料中，卤氧化铋的光催化性能可随着卤素原子序数的增大而逐渐增强，因此具有优异性能的碘氧化铋作为一类新型的半导体光催化材料很快映入人们眼帘。传统的催化剂具有对可见光响应率低，回收困难等一系列难题，而以应用磁性材料作为载体的磁性光催化剂作为一种新型光催化材料在水处理方面有着广泛的应用前景。钡铁氧体是一种简单的磁铅石铁氧体，它可作为光催化剂的载体并改变其内部结构有望提高催化剂的催化活性。因此期望通过研究碘氧化铋、钡铁氧体及其复合体的合成方法及其影响因素来设计出一种新型磁性光催化剂，对新型高效可见光光催化材料的发展提供重要的理论与现实参考和支撑。

1影响碘氧化铋合成的方法及主要影响因素

1.1碘氧化铋的合成方法比较

合成碘氧化铋的方法主要是软模板法，溶剂热法(水热法)，化学共沉淀法等。这些方法都有各自的优缺点，软模板法可以有效避免团聚、尺寸不均等问题，并能在一定程度上有效地调整光催化剂的形貌和颗粒尺寸，但所合成出的高分子和表面活性剂的后处理工序比较复杂，并且需要比较高的成本；溶剂热法制得的碘氧化铋样品形状和大小可以人为控制、结晶度高、分散性好，但是这种方法对设备要求较高，工艺难度大，技要求复杂，反应条件要求过高，且安全性能差；相比之下，化学共沉淀法具有操作简单，成本低廉，反应时间短等优点，但不足之处是制备出的材料粒径较大且均一性不佳。通过对以上几种方法的优缺点比对，要制备形貌大小可控、结晶度高、分散性好的纯相碘氧化铋，还需要设备和生成成本低、工艺过程安全性高。显然，化学共沉淀法更适合本方案。

1.2碘氧化铋性能的影响因素

碘氧化铋的层状结构具有高度各向异性和宽度较窄禁带的特性，因此可有效利用太阳光。研究发现，影响光催化活性的因素主要有内部因素和外部条件，内部因素包括催化剂的尺寸、形貌、晶体结构和能带结构等；外部条件包括光照条件、降解物浓度、催化剂用量、体系pH值等。(1)掺杂改性对碘氧化铋性能的影响。通过掺杂可以使碘氧化铋的带隙结构发生变化，使光生电子和空穴对的复合受到抑制作用，光催化活性得到提升。黄腾[1]采用水热法制备得到硫掺杂的钨酸铋材料，发现5%掺杂量的钨酸铋的降解活性达到最高，比纯相钨酸铋活性提高了2.7倍；朱禹等[2]将钛掺杂在碘氧化铋中得到一种花状BiOI-Ti仿生复合催化膜，有效地降低光生电子和空穴对的复合机率，从而提高光催化活性。(2)形貌结构调控对碘氧化铋性能的影响。形貌结构包括尺寸、形貌特征、比表面积等，碘氧化铋的光催化性能与其形貌结构密切相关。白杨等[3]通过沉淀法制备了超薄的碘氧化铋材料，增加了其比表面积，光催化效果显著提高。文彦佳[4]通过调节溶液体系的pH值，可有效控制产物的形貌，且随着pH值的增加，禁带宽度随之变宽，比表面积增大；当pH=7时，光催化效果和效率最佳。(3)反应环境对碘氧化铋性能的影响。反映环境中的光催化剂用量，反应体系溶液浓度，以及反映环境的pH值对光催化效率的性能也有较大影响。赖鑫林等[5]研究光催化剂用量对BiOI/GO光催化剂可见光光降解甲基橙染料性能的影响表明，随着BiOI/GO光催化剂添加量的增加，甲基橙染料降解率不断增大但增幅呈现出趋缓的趋势。付大卫等[6]通过溶剂热法成功制备空心球状的碘氧化铋，在不同的溶液初始pH值下，利用罗丹明B和活性蓝KN-R对碘氧化铋的吸附性能和光催化活性研究。实验表明，碘氧化铋在pH值小于4时对罗丹明B有较强的吸附和降解率，pH=10时对活性蓝KN-R表现出较强的吸附和降解率。

2影响钡铁氧体合成的方法及主要影响因素

2.1钡铁氧体合成方法的比较

合成钡铁氧体的方法有化学共沉淀法、溶剂热法、自蔓延燃烧法、溶胶凝胶法等。化学共沉淀法制得钡铁氧体，优点是操作简单，制得的样品粒子磁化强度高，分散性好，大小均匀，原料便宜易取，但产物不容易被过滤、洗涤；溶胶凝胶法工艺过程简单，煅烧温度较低，产物匀度高，缺点是得到产物干燥后会有部分团聚。水热法直接合成六角片状钡铁氧体，粉体分散性好，纯度高，但不易调控，反应过程无法进行观测。自蔓延燃烧法合成磁铅石型钡铁氧体，实验时间短，得到的样品颗粒粒径小，活性高，但反应条件不可控，样品易团聚。综上，鉴于溶胶凝胶法工艺过程简单、煅烧温度较低、产物匀度高等优点，因此设计方案选用溶胶-凝胶法制备钡铁氧体。

2.2钡铁氧体性能的影响因素

影响钡铁氧体磁性能的因素主要有：煅烧温度、添加少量其他元素或化合物、预烧温度、烧结时间和Fe/Ba比等。(1)煅烧温度对钡铁氧体性能的影响。有较多研究发现焙烧温度对钡铁氧体性能的影响较大，当煅烧温度为700～900℃时制备的钡铁氧体颗粒分布均匀，磁性能最佳。胡胜龙等[7]用化学共沉淀法和后续焙烧工艺制得纳米级六角型钡铁氧体颗粒，探究煅烧温度对钡铁氧体性能的影响，当煅烧温度为900℃，反应时间为5h时，可得到磁性能最优的硬磁颗粒；杜毅等[8]用反相微乳液法制备钡铁氧体，当煅烧温度为800℃，得到的钡铁氧体粒度分布均匀，磁性能最佳。(2)掺杂元素对钡铁氧体性能的影响。添加少量其他元素或化合物如硼、镧、锶、铜、锌、镍、钴、锰元素等及其相应化合物、复合物可以改变钡铁氧体的磁性能或吸波性能。黄文娟等[9]研究得到掺杂硼元素会使钡铁氧体的饱和磁化强度随硼增加量先上升后下降；谭宏斌[10]采用溶胶一凝胶法制备钡铁氧体，通过掺杂锶元素对钡铁氧体磁性能的影响研究表明，在高频范围内的吸收量有显著提高，可改善钡铁氧体的吸波性能。(3)预烧温度对钡铁氧体性能的影响。适宜的预烧温度较好的改善材料的起始磁导率，且能提高其品质因数及频率特性，而过高或过低的预烧温度都会对材料的起始磁导率及品质因数造成不良影响。Zhong等[11]报道了将溶胶一凝胶在400～500℃预处理几小时可以避免中间相的形成得到高饱和磁化强度、高矫顽力和高纯度的钡铁氧体。奚锐等[12]采用溶胶—凝胶燃烧法制备了钡铁氧体粉体，研究发现当预烧温度升高时，BaFe12O19的特征峰会先增强后减弱，当预烧温度在450℃时得到的钡铁氧体性能最佳。(4)烧结时间和Fe/Ba比率对钡铁氧体性能的影响。延长烧结时间和控制适宜的Fe/Ba比率有助于减少α-Fe2O3或BaFe2O4中间相的生成，获得较为纯相的钡铁氧体BaFe12O19。黄英等[13]应用溶胶一凝胶法制备钡铁氧体材料，分析烧结时间和Fe/Ba比率对钡铁氧体磁性能的影响，结果表明，延长烧结时间有利于消除中间相，从而获得高纯度、高饱和磁化强度的钡铁氧体；煅烧温度950℃在Fe/Ba比率在小于10大于11.5时均会有非磁性相BaFe2O4产生。Surig等[14]研究发现Fe/Ba比率决定钡铁氧体产物的物相组成，当Fe/Ba=10～11时可避免非磁性相α-Fe2O3和BaFe2O4形成，可获得单相产物且磁性能最佳。

3碘氧化铋磁性光催化剂的制备方案

通过上述方法对比，结合实验室现有条件，分别采用化学共沉淀法和溶胶凝胶法制备纯相的碘氧化铋和钡铁氧体。实验结果表明，纯相的碘氧化铋各方面性能仍待改进，所以要探索碘氧化铋及钡铁氧体的复合方法。杨俊[15]、张兆娣[16]的实验研究中，选用浸渍焙烧法制备rGO/β-Bi2O3/SrFe12O19、MnxZn1-xFe2O4/α-Bi2O3、MnxZn1-xFe2O4/β-Bi2O3等复合光催化剂，制得样品降解率和回收率都优于单一的光催化剂，鉴于以上方法具有的成功及优异的实验结果，所以采用浸渍焙烧法合成复合光催化材料。

3.1碘氧化铋磁性光催化材料的制备

利用BiOI/BaFe12O19:Bi(NO3)3•5H2O和BaFe12O19等采用浸渍焙烧法制备得到BiOI/BaFe12O19。

3.2探索碘氧化铋磁性光催化材料催化性能的影响因素

通过单因素实验研究掺杂质量比、pH值、焙烧温度、烧结时间等因素对碘氧化铋磁性光催化材料催化性能的影响趋势，并利用傅里叶红外光谱(FTIR)、X-射线粉末衍射(XRD)、紫外可见漫反射光谱(Uv-visDRS)、扫描电子显微镜(SEM)等手段，探索影响碘氧化铋磁性光催化材料的深层次原因。

3.3优化碘氧化铋磁性光催化材料的合成工艺参数

确定主要的三个影响因素，并设置三因素三水平正交表，最后进行正交实验，对磁性异质结光催化材料的合成工艺参数进行优化，并对最优化结果进行内部结构及性能测试表征。

4结语

本文探讨了碘氧化铋、钡铁氧体及其复合体的合成方法及其影响因素来设计出一种新型磁性光催化剂，最后选择以浸渍焙烧法制备碘氧化铋磁性光催化剂材料。采用浸渍焙烧法合成粒子包覆形成磁性光催化剂的方法，选取预烧温度、掺杂质量比、煅烧温度、烧结时间作为主要参考因素，通过单因素实验研究碘氧化铋磁性光催化材料催化性能的影响趋势，通过正交实验优化合成工艺，并对最优化结果进行内部结构及性能测试表征。

作者：谌洪春 刘美鑫 陈晓静 成春兰 单位：六盘水师范学院