高性能可见光响应型 Bi₂MoO₆/Bi₄V₂O₁₁异质结光催化剂的研发

伟大领导者金正日同志教导说：

"我们必须防止任何轻微的公害发生。使我国成为没有公害的国家，使我国人民在没有公害的环境中生活,这就是我们党的意图和决心。"

随着工业的高速发展，化工，纺织业，制药，印染等诸多领域大量排放工业废水，造成许多水汚染问题。作为环保领域的重要课题，水污染治理己在全球范围内受到了重视。目前，水汚染治理的传统方法包括吸附、过滤、絮凝、沉降等，这些方法只是将污染物浓缩或分离，或者只是将污染物从一相转移到另一相，并没有从根本上破坏污染物，不可避免地带来二次污染。

光催化氧化法具有彻底降解有机污染物、利用清洁能源-太阳能、无二次污染等优点。该方法引起广泛的关注及研究，并被认为是最为理想、最有应用前景的废水处理方法之一。

自从1972年发现TiO₂光催化剂在紫外线光照下具有光催化活性以来，到现在，虽然对TiO₂光催化剂进行了许多研究，但是由于TiO2光催化剂的带隙比较宽(3.2eV)，导致它对太阳光的利用效率很低,限制了其实际应用。

因此，近年来，对在太阳光照射下能表现出高光催化活性的新型可见光响应光催化剂的研究比较活跃。

Bi系光催化剂由于具有独特的电子结构，良好的可见光响应性能和低成本等优点，被认为是优秀的可见光响应型光催化剂。

Bi₂MoO₆具有禁带宽度窄(2.5~2.8eV)，因此能吸收可见光而具有光催化活性。 但是对纯Bi₂MoO₆光催化剂存在光生电子-空穴的迅速复合而光催化活性低的问题。为了改善其光催化活性已采用形貌控制，掺杂，异质结构筑等方法。

另外，由于Bi₄V₂O₁₁半导体材料具有优异的氧离子传导性能，因此在电极材料制备领域已被广泛研究。最近，被发现Bi₄V₂O₁₁半导体材料因它的带隙窄(~2.1eV)而能表现出可见光响应特性以来,虽然有一些关于利用此材料制备可见光响应型光催化剂的研究报道,但其研究并不多，可以说是还处于开始阶段。

最近，金日成综合大学尖端技术开发院的科研工作者们采用一步有机溶剂热法首次制备出了可见光响应型Bi₂MoO₆/Bi₄V₂O₁₁异质结光催化剂，所制备的异质结光催化剂表现出比纯Bi₂MoO₆和纯 Bi₄V₂O₁₁光催化剂明显提高的光催化活性。

通过SEM和TEM分析发现,所制备出的Bi₂MoO₆/Bi₄V₂O₁₁异质结光催化剂具有以10nm左右的Bi₄V₂O₁₁纳米晶粒紧紧地固定于厚度约10nm的Bi₂MoO₆纳米片表面所形成的异质结结构。

图1 a) Bi₂MoO₆/Bi₄V₂O₁₁异质结光催化剂的SEM图片；b),c),d) Bi₂MoO₆/Bi₄V₂O₁₁ 异质结光催化剂的TEM图片

在可见光(λ>400nm)下,光催化分解甲基蓝(MB)的实验结果表明,在光照时间15min内,Bi₂MoO₆/Bi₄V₂O₁₁异质结光催化剂对MB的光催化分解率达到100%,然而利用纯Bi₂MoO₆和纯Bi₄V₂O₁₁样品的时候,其分解率只有50%和27%。(图2)

图2 a) 在可见光照射条件下对MB溶液的光催化分解曲线, b),c),d) 光催化剂分别为Bi₂MoO₆/Bi₄V₂O₁₁异质结,纯Bi₂MoO₆，纯Bi₄V₂O₁₁时，在不同光催化分解时间测得的MB溶液的吸光度和颜色变化

从光电流强度测量(图3-a)和阻抗分析(图3-b)结果来看，相比纯Bi₂MoO₆和纯Bi₄V₂O₁₁样品，利用Bi₂MoO₆/Bi₄V₂O₁₁异质结光催化剂时，光生电子-空穴的再复合有效地被抑制,且分离效率得到显著提高。

图3 a) 光电流强度曲线， b) 阻抗谱

Bi₂MoO₆/Bi₄V₂O₁₁异质结光催化剂对MB的光催化分解循环测试结果表明，4次循环之后异质结光催化剂的光催化分解率仍高达96.6%，表现出比较高的循环性能。(图4)

图4 Bi₂MoO₆/Bi₄V₂O₁₁异质结光催化剂的光催化分解循环测试结果

Bi₂MoO₆/Bi₄V₂O₁₁异质结光催化剂的光催化活性比纯Bi₂MoO₆和纯Bi₄V₂O₁₁明显提高了，这是归因于Bi₂MoO₆和Bi₄V₂O₁₁之间形成能带结构匹配的异质结。(图5)

图5 Bi₂MoO₆/Bi₄V₂O₁₁异质结光催化剂的能带结构和光催化反应机制

我们把研究内容已发表到SCI期刊"RSC Advances"(2018, Vol.8, pp. 5433-5440)上,其论文题目为"The synthesis of a Bi₂MoO₆/Bi₄V₂O₁₁ heterojunction photocatalyst with enhanced visible-light-driven photocatalytic activity"(http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2018/RA/C7RA12766A)。