Bi<sub>2</sub>S<sub>3</sub>-BiOI异质结光催化去除水中Cr（Ⅵ）的研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2023-0025

摘要/Abstract

摘要：

近年来，利用光催化剂还原Cr（Ⅵ）的研究受到广泛关注。利用水热法制备了Bi₂S₃-BiOI异质结光催化剂，对比分析了Bi₂S₃、BiOI及Bi₂S₃-BiOI异质结在可见光下去除Cr（Ⅵ）的效果。研究发现，Bi₂S₃和BiOI结合为异质结后，光催化还原Cr（Ⅵ）的效率得到大幅提升，在最佳条件（制备pH为8，Na₂S₂O₃·5H₂O添加量为2 mmol，污染物pH为3，催化剂投加量为0.5 g/L）下，Bi₂S₃-BiOI异质结可在12 min内实现100%的Cr（Ⅵ）去除率，光还原Cr（Ⅵ）的一级反应速率常数分别为Bi₂S₃和BiOI的40.3倍和116.6倍。通过一系列表征分析，揭示了Bi₂S₃-BiOI异质结的形成过程和光电性能，并提出了Bi₂S₃-BiOI异质结光催化还原Cr（Ⅵ）的机理。Bi₂S₃-BiOI异质结具有良好的稳定性和重复利用性，重复利用5次后仍能有效去除Cr（Ⅵ）。本研究合成的新型Bi₂S₃-BiOI异质结光催化剂为高效去除水中Cr（Ⅵ）提供了一个新思路。

关键词: Bi₂S₃, BiOI, 异质结, 光催化, 含铬废水

Abstract:

Recently，photocatalytic reduction of Cr（Ⅵ） has been extensively studied. Bi₂S₃-BiOI heterojunction photocatalysts were prepared by hydrothermal method，and the removal efficiency of Bi₂S₃，BiOI and Bi₂S₃-BiOI heterojunction for Cr（Ⅵ） under visible light was investigated comparatively. It was found that the efficiency of photocatalytic reduction of Cr（Ⅵ） could be substantially enhanced by combining Bi₂S₃ and BiOI as heterojunctions. Under the optimal conditions（preparation pH 8，Na₂S₂O₃⋅5H₂O dosage 2 mmol，pollutant pH 3，catalyst dosage 0.5 g/L），Bi₂S₃-BiOI heterojunction could achieve 100% Cr（Ⅵ） removal rate within 12 min，and the first-order reaction rate constants of Cr（Ⅵ） photoreduction were 40.3 and 116.6 times of Bi₂S₃ and BiOI，respectively. The formation process and photoelectric properties of Bi₂S₃-BiOI heterojunctions were revealed by a series of characterizations，and the mechanism of photocatalytic reduction of Cr（Ⅵ） was proposed. Bi₂S₃-BiOI heterojunction had good stability and reusability，and Cr（Ⅵ） could be effectively removed after repeated utilization for 5 times. Therefore，a novel Bi₂S₃-BiOI heterojunction photocatalyst was synthesized to provide a new idea for the efficient removal of Cr（Ⅵ） from water.

Key words: Bi₂S₃, BiOI, heterojunction, photocatalysis, chromium-containing wastewater

中图分类号:

X703
TB34

龙泽清, 宋慧, 仙光, 陈超, 王彩云. Bi₂S₃-BiOI异质结光催化去除水中Cr（Ⅵ）的研究[J]. 工业水处理, 2023, 43(10): 109-116.

Zeqing LONG, Hui SONG, Guang XIAN, Chao CHEN, Caiyun WANG. Photocatalytic removal of Cr（Ⅵ） from water by Bi₂S₃-BiOI heterojunctions[J]. Industrial Water Treatment, 2023, 43(10): 109-116.

https://www.iwt.cn/CN/Y2023/V43/I10/109

图/表 11

图1 不同光催化剂对Cr（Ⅵ）的去除效果（a）和一级动力学拟合（b）

Fig. 1 Cr（Ⅵ） removal efficiency （a） and first-order kinetic fitting （b） by different photocatalysts

图2 不同硫浓度制备的光催化剂对Cr（Ⅵ）的去除效果（a）和一级动力学拟合（b）

Fig. 2 Cr（Ⅵ） removal efficiency （a） and first-order kinetic fitting （b） of photocatalysts prepared with different sulfur concentrations

图3 污染物pH对Cr（Ⅵ）去除效果的影响

Fig. 3 Effect of pollutant pH on Cr（Ⅵ） removal efficiency

图4 催化剂投加量对Cr（Ⅵ）去除效果的影响

Fig. 4 Effect of catalyst dosage on Cr（Ⅵ） removal efficiency

图5 不同pH下制备的BiOI （a）和2-Bi₂S₃-BiOI （b）的XRD

Fig. 5 XRD of BiOI prepared at different pH （a） and 2-Bi₂S₃-BiOI （b）

图6 Bi₂S₃、BiOI和2-Bi₂S₃-BiOI的SEM和TEM

Fig. 6 SEM and TEM of Bi₂S₃，BiOI and 2-Bi₂S₃-BiOI

图7 2-Bi₂S₃-BiOI的XPS

Fig. 7 XPS of 2-Bi₂S₃-BiOI

图8 光催化剂紫外漫反射光谱（a）和禁带宽度（b）

Fig. 8 The UV-Vis DSR （a） and band gap （b） of the photocatalysts

图9 Bi₂S₃-BiOI异质结的PL光谱

Fig. 9 PL spectras of Bi₂S₃-BiOI heterojunctions

图10 Bi₂S₃-BiOI异质结光催化还原Cr（Ⅵ）的机理

Fig. 10 Mechanism of photocatalytic reduction of Cr（Ⅵ） by Bi₂S₃-BiOI heterojunction

图11 2-Bi₂S₃-BiOI循环利用次数对Cr（Ⅵ）去除率的影响（a），反应后2-Bi₂S₃-BiOI的XRD（b）和SEM（c）

Fig. 11 Effect of recycling times of 2-Bi₂S₃-BiOI on the removal rate of Cr（Ⅵ）（a），XRD （b） and SEM （c） of 2-Bi₂S₃-BiOI after reaction

参考文献 27

1	JYOTHI M S， NAYAK V， PADAKI M，et al. Eco-friendly membrane process and product development for complete elimination of chromium toxicity in wastewater［J］. Journal of Hazardous Materials，2017，332：112-123. doi:10.1016/j.jhazmat.2017.03.009
2	朱冰韧，厉炯慧，沈海云，等. 大容量阴离子交换树脂D296对水中铬（Ⅵ）的吸附［J］. 高校化学工程学报，2017，31（3）：743-748.
	ZHU Bingren， LI Jionghui， SHEN Haiyun，et al. Cr（Ⅵ） removal from aqueous solutions by a high-capacity strong acid resin D296［J］. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities，2017，31（3）：743-748.
3	周素莹. 絮凝化学沉淀法处理含钒铬：高浓度氨氮废水的实验研究［D］. 沈阳：东北大学，2015.
	ZHOU Suying. Experimental study on using flocculating chemical precipitation method to treat ammonia nitrogen wastewater with vanadium and chromium［D］. Shenyang：Northeastern University，2015.
4	闫文斌，葛常艳，段春发，等. 高浓度含铬废液处理实验研究［J］. 煤炭与化工，2019，42（6）：158-160.
	YAN Wenbin， GE Changyan， DUAN Chunfa，et al. Study on treatment of high concentration chromium waste liquid［J］. Coal and Chemical Industry，2019，42（6）：158-160.
5	谢昀映，谈定生，张学峰，等. 用离子交换膜从不锈钢酸洗废水中去除镍铬试验研究［J］. 湿法冶金，2018，37（6）：493-496.
	XIE Yunying， TAN Dingsheng， ZHANG Xuefeng，et al. Removal of nickel and chromium from stainless steel pickling wastewater using ion exchange membrane［J］. Hydrometallurgy of China，2018，37（6）：493-496.
6	LONG Zeqing， ZHANG Guangming， DU Hongbiao，et al. Preparation and application of BiOBr-Bi₂S₃ heterojunctions for efficient photocatalytic removal of Cr（Ⅵ）［J］. Journal of Hazardous Materials，2021，407：124394. doi:10.1016/j.jhazmat.2020.124394
7	LIU Yufang， LIU Shanshan， WU Tingting，et al. Facile preparation of flower-like Bi₂WO₆/CdS heterostructured photocatalyst with enhanced visible-light-driven photocatalytic activity for Cr（Ⅵ） reduction［J］. Journal of Sol-Gel Science and Technology，2017，83（2）：315-323. doi:10.1007/s10971-017-4416-x
8	HU Enlai， GAO Xuehui， ETOGO A，et al. Controllable one-pot synthesis of various one-dimensional Bi₂S₃ nanostructures and their enhanced visible-light-driven photocatalytic reduction of Cr（Ⅵ）［J］. Journal of Alloys and Compounds，2014，611：335-340. doi:10.1016/j.jallcom.2014.05.075
9	WANG Honggui， WEN Fangfang， LI Xinyao，et al. Cerium-doped MoS₂ nanostructures：Efficient visible photocatalysis for Cr（Ⅵ） removal［J］. Separation and Purification Technology，2016，170：190-198. doi:10.1016/j.seppur.2016.06.049
10	XIAO Liguang， ZHANG Xiaotong， YAN Gang. Diatomite-Bi₂S₃ composite photocatalyst：Enhanced photocatalytic performance for visible light reduction of Cr（Ⅵ）［J］. Materials Research Express，2019，6（6）：065902. doi:10.1088/2053-1591/ab086d
11	ZHONG Yunlei， QIU Xun， CHEN Dongyun，et al. Flexible electrospun carbon nanofiber/tin（Ⅳ） sulfide core/sheath membranes for photocatalytically treating chromium（Ⅵ）-containing wastewater［J］. ACS Applied Materials & Interfaces，2016，8（42）：28671-28677. doi:10.1021/acsami.6b10241
12	夏雨，张旭. CdS/ZnO异质结构纳米材料的合成及其光催化还原Cr（Ⅵ）的研究［J］. 现代盐化工，2021，48（1）：16-17.
	XIA Yu， ZHANG Xu. Synthesis of CdS/ZnO heterostructure nanomaterials and their photocatalytic reduction of Cr（Ⅵ）［J］. Modern Salt and Chemical Industry，2021，48（1）：16-17.
13	RAPTI I， BAIRAMIS F， KONSTANTINOU I. g-C₃N₄/MoS₂ heterojunction for photocatalytic removal of phenol and Cr（Ⅵ）［J］. Photochem，2021，1（3）：358-370. doi:10.3390/photochem1030023
14	JIANG Zaiyong， LIANG Xizhuang， LIU Yuanyuan，et al. Enhancing visible light photocatalytic degradation performance and bactericidal activity of BiOI via ultrathin-layer structure［J］. Applied Catalysis B：Environmental，2017，211：252-257. doi:10.1016/j.apcatb.2017.03.072
15	LI Zhanjun， WANG Meiting， SHEN Jianxing，et al. Synthesis of BiOI nanosheet/coarsened TiO₂ nanobelt heterostructures for enhancing visible light photocatalytic activity［J］. RSC Advances，2016，6（36）：30037-30047. doi:10.1039/c6ra01426g
16	JIANG Xuechao， TAN Haiyan， SHI Xinyu，et al. Preparation of Bi₂O₃/BiOI step-scheme heterojunction photocatalysts and their degradation mechanism of methylene blue［J］. Journal of Wuhan University of Technology（Materials Science），2022，37（5）：801-806. doi:10.1007/s11595-022-2599-7
17	LU Yanjun， SUN Yajing， LI Jing，et al. Preparation of a novel p-n BiOI/Bi₂WO₆ photocatalyst and its application in the treatment of tetracycline［J］. Journal of Materials Science：Materials in Electronics，2022，33（29）：23212-23223. doi:10.1007/s10854-022-09085-w
18	SHI Yiqiu， XIONG Xuyang， DING Shuoping，et al. In-situ topotactic synthesis and photocatalytic activity of plate-like BiOCl/2D networks Bi₂S₃ heterostructures［J］. Applied Catalysis B：Environmental，2018，220：570-580. doi:10.1016/j.apcatb.2017.08.074
19	WU Gongjuan， ZHAO Yan， LI Yawen，et al. pH-dependent synthesis of iodine-deficient bismuth oxyiodide microstructures：Visible-light photocatalytic activity［J］. Journal of Colloid and Interface Science，2018，510：228-236. doi:10.1016/j.jcis.2017.09.053
20	陈嘉瑾，梁娟，高智睿. 活性炭掺杂BiVO₄的制备及光催化还原Cr（Ⅵ）的研究［J］. 工业水处理，2019，39（9）：75-79.
	CHEN Jiajin， LIANG Juan， GAO Zhirui. Preparation of activated carbon-doped BiVO₄ for photocatalytic reduction of Cr（Ⅵ）［J］. Industrial Water Treatment，2019，39（9）：75-79.
21	WANG Nan， ZHU Lihua， DENG Kejian，et al. Visible light photocatalytic reduction of Cr（Ⅵ） on TiO₂ in situ modified with small molecular weight organic acids［J］. Applied Catalysis B：Environmental，2010，95：400-407. doi:10.1016/j.apcatb.2010.01.019
22	JIAO Hongpeng， YU Xiang， LIU Zhaoqing，et al. One-pot synthesis of heterostructured Bi₂S₃/BiOBr microspheres with highly efficient visible light photocatalytic performance［J］. RSC Advances，2015，5（21）：16239-16249. doi:10.1039/c4ra16948d
23	ZHANG Xiaochao， ZHAO Lijun， FAN Caimei，et al. Effects of oxygen vacancy on the electronic structure and absorption spectra of bismuth oxychloride［J］. Computational Materials Science，2012，61：180-184. doi:10.1016/j.commatsci.2012.04.023
24	LONG Zeqing， ZHANG Guangming， WEI Ting，et al. Tuning of Bi _x O _y Cl formation with sonication time during ultrasound-hydrothermal preparation［J］. Journal of Industrial and Engineering Chemistry，2020，84：322-331. doi:10.1016/j.jiec.2020.01.014
25	JIANG Runren， WU Donghai， LU Guanghua，et al. Fabrication of Fe₃O₄ quantum dots modified BiOCl/BiVO₄ p-n heterojunction to enhance photocatalytic activity for removing broad-spectrum antibiotics under visible light［J］. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers，2019，96：681-690. doi:10.1016/j.jtice.2019.01.010
26	DENG Fang， LU Xiaoying， LUO Yingbo，et al. Novel visible-light-driven direct Z-scheme CdS/CuInS₂ nanoplates for excellent photocatalytic degradation performance and highly-efficient Cr（Ⅵ） reduction［J］. Chemical Engineering Journal，2019，361：1451-1461. doi:10.1016/j.cej.2018.10.176
27	SUN Yanjuan， LIAO Jiazhen， DONG Fan，et al. A Bi/BiOI/（BiO）₂CO₃ heterostructure for enhanced photocatalytic NO removal under visible light［J］. Chinese Journal of Catalysis，2019，40（3）：362-370. doi:10.1016/s1872-2067(18)63187-0

[1]	靳亚斌, 徐甜甜, 赵德中, 张乐, 万振杰, 张高明. Bi₂O₃基复合光催化剂的制备及其在水处理中的应用进展[J]. 工业水处理, 2025, 45(3): 10-21.
[2]	周朝云, 令玉林, 蒋文雪, 周建红. WO₃/rGO/BiOBr的制备及其光催化降解环丙沙星废水的性能研究[J]. 工业水处理, 2025, 45(1): 73-78.
[3]	代佳汐, 姜建辉, 韩宇凡, 张文涛, 田明霞, 张园. Cd（OH）₂/BiOCl复合材料的制备及其光催化性能[J]. 工业水处理, 2024, 44(9): 136-142.
[4]	董玮, 林莉, 顾怀章, 罗云强, 马平, 李向阳. 双Z型异质结Bi₂MoO₆/Bi₂WO₆/Ag₃PO₄的光催化研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(8): 81-89.
[5]	张宏伟, 席晓晶, 田文杰, 张慧盈, 马晓梦, 魏敏洁, 陈华军. 易回收碳纤维/g-C₃N₄纳米片阵列制备及光催化和光电催化研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(8): 99-106.
[6]	毕付英, 孙浩然, 刘彦彦, 陈峻峰. 改性TiO₂/膨胀珍珠岩光催化剂对赤潮微藻的抑制[J]. 工业水处理, 2024, 44(7): 113-118.
[7]	郎明娇, 杨朝美, 曾广勇. 光催化膜的构筑及其在废水处理中的研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(7): 47-56.
[8]	谭斌, 郝慧茹, 向宇桐, 刘宇宁, 张倩. 基于BC-BiOI/PMS的光催化体系降解恩诺沙星的研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(6): 143-150.
[9]	黄宏森, 郑欣钰, 林振锋, 郭永福. Z型异质结BiO_2- _x /ZnWO₄对水中抗生素的光催化研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(4): 138-146.
[10]	王宁, 林家一, 李涛, 薛安, 陈璐, 黎阳. 石墨烯基/半导体金属氧化物复合光催化剂制备工艺研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(2): 63-72.
[11]	安宁, 郝玉莹, 胡绍伟, 陈鹏, 王飞, 王永, 刘芳, 李函霏. 二氧化铈/氮掺杂氮化碳光催化处理焦化废水[J]. 工业水处理, 2024, 44(12): 184-191.
[12]	解鹤, 唐彬, 陈兵兵, 李佳利, 詹海鹃. 掺杂型钴基钙钛矿的合成及光催化降解有机废水[J]. 工业水处理, 2024, 44(12): 131-137.
[13]	王钧, 付双, 侯鹏, 刘军, 孙春雪, 张洪光. S型TiO₂/CoPc异质结的构筑及光催化降解四环素的研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(12): 118-122.
[14]	姚有智, 华飞, 吴康, 叶舟, 张忠亮, 钱程. 石墨烯基复合材料光催化降解废水有机污染物的研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(11): 1-8.
[15]	刘国煜, 曹向禹, 郑建华. 钴基氧化物光催化剂在降解有机污染物中的研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(11): 27-34.

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