BiVO<sub>4</sub>表面氧空位的调控及其光降解抗生素研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2022-1211

摘要/Abstract

摘要：

通过水热法一步合成了BiVO₄催化剂，并在氩气气氛下对BiVO₄催化剂进行表面改性。通过SEM、TEM、XRD、XPS和PL对BiVO₄催化剂进行分析表征，结果表明BiVO₄催化剂及改性BiVO₄催化剂为单斜状的晶体结构，且改性BiVO₄催化剂表面含有大量的氧空位。相比BiVO₄催化剂，氧空位BiVO₄催化剂的价带由1.97 eV增加至2.13 eV，扩大了带隙，降低了电子和空穴的复合率。在抗生素磺胺甲唑（SMX）初始质量浓度为10 mg/L，考察了不同因素对氧空位BiVO₄催化剂光催化降解SMX的影响，结果表明最佳反应条件为氧空位BiVO₄催化剂投加量50 mg/L，反应温度35 ℃，光照度150 mW/cm²，pH 5.0~9.0。此外，研究表明氧空位BiVO₄催化体系能够抵御水体中常见阴离子的干扰，但受到腐殖酸的抑制较为明显。对氧空位BiVO₄光催化降解SMX进行了机理分析，相对于BiVO₄光催化体系，氧空位BiVO₄体系产生了更多的活性物质，包括O₂ ^·-、·OH和h⁺，氧空位降低了电子和空穴复合率，提高了BiVO₄的光催化活性，增强了对SMX的降解速率。整体上，氧空位的调控是提高光生载流子分离率、提高光催化剂活性的有效策略。

关键词: 表面氧空位, 钒酸铋, 抗生素, 催化降解, 光生载流子

Abstract:

BiVO₄ catalyst was synthesized in one step by hydrothermal method，and the surface modification of BiVO₄ catalyst was carried out in argon atmosphere. The BiVO₄ catalyst was characterized by SEM，TEM，XRD，XPS and PL. The results showed that the BiVO₄ catalyst and the modified BiVO₄ catalyst had monoclinic crystal structure， and the surface of the modified BiVO₄ catalyst contained a large number of oxygen vacancies. Compared with BiVO₄ catalyst，the valence band of oxygen vacancy BiVO₄ catalyst increased from 1.97 eV to 2.13 eV，which enlarged the band gap and decreased the recombination rate of electrons and holes. When the initial mass concentration of antibiotic sulfamethoxazole （SMX） was 10 mg/L，the effects of different factors on the photocatalytic degradation of SMX with oxygen vacancy BiVO₄ catalyst were investigated. The results showed that the optimal reaction conditions were 50 mg/L with oxygen vacancy BiVO₄ catalyst，35 ℃，150 mW/cm²and pH 5.0-9.0. In addition，the common anions in water had less interference to the BiVO₄ catalytic system of oxygen vacancy，but the inhibition of humic acid was more obvious. The mechanism of photo catalytic degradation of SMX by oxygen vacancy BiVO₄ was analyzed. Compared with the BiVO₄ photo catalytic system， the oxygen vacancy BiVO₄ system produced more active substances，including O₂ ^·-，·OH and h⁺. The oxygen vacancy reduced the electron and hole recombination rate，improved the photocatalytic activity of BiVO₄ and enhanced the degradation rate of SMX. On the whole，the regulation of oxygen vacancy is an effective strategy to improve the photogenerated carrier separation rate and the activity of photocatalyst.

Key words: surface oxygen vacancy, bismuth vanadate, antibiotics, catalytic degradation, photogenerated carriers

中图分类号:

X703.1

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https://www.iwt.cn/CN/Y2023/V43/I12/146

图/表 11

图1 BVO和OV-BVO晶体的扫描电镜（a）~（b）、透射电镜（c）~（d）、高分辨透射电镜（e）~（f）和XRD（g）

Fig.1 SEM （a）~（b），TEM （c）~（d），HRTEM （e）~（f） and XRD （g）of BVOand OV-BVO crystals

图2 BVO和OV-BVO的XPS O 1s（a）、Bi 4f（b）、V 2p（c）和价带谱（d）

Fig.2 XPS of BVO and OV-BVO O 1s （a），Bi 4f （b），V 2p （c） and VB spectrum （d）

图3 BVO和OV-BVO的光电流密度响应（a）和PL光谱（b）

Fig.3 Photocurrent response （a） and PL spectra （b）of BVO and OV-BVO

图4 可见光条件下BVO和OV-BVO降解磺胺甲唑的去除率（a）和降解速率（b）

Fig.4 Removal rate （a） and degradation rate （b） of SMX degradation by BVO and OV-BVO under visible light irradiation

图5 不同OV-BVO投加量对可见光催化降解SMX的去除率（a）和降解速率（b）的影响

Fig.5 Effect of mass concentration of OV-BVO on the removal ratio （a）and degradation rate （b） by visible light photocatalytic degradation of SMX

图6 温度对可见光催化降解SMX的去除率（a）和降解速率（b）的影响

Fig.6 Effect of temperature on the removal ratio （a） and degradation rate （b） by visible light photocatalytic degradation of SMX

图7 光照度对可见光催化降解SMX的去除率（a）和降解速率（b）的影响

Fig.7 Effect of light intensity on the removal ratio （a） and degradation rate （b） by visible light photocatalytic degradation of SMX

图8 pH对可见光催化降解SMX的去除率（a）和降解速率（b）的影响

Fig.8 Effect of pH on the removal ratio（a） and degradation rate （b） by visible light photocatalytic degradation of SMX

图9 不同水体背景物质对OV-BVO在可见光条件下降解SMX的影响

Fig.9 The effects of different water matrix substances on the degradation of SMX by OV-BVO under visible light irradiation

图10 O₂ ^·-（a）、·OH（b）、h⁺（c）和¹O₂（d）的EPR

Fig.10 EPR of O₂ ^·-（a），·OH（b），h⁺（c），and ¹O₂（d）

图11 BVO和OV-BVO的紫外-可见漫反射光谱（a）、Tauc（b）和光催化降解SMX的机理（c）

Fig.11 UV-vis diffuse reflectance（a），Tauc plot（b） of BVO and OV-BVO and mechanism of photocatalytic degradation of SMX（c）

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