光催化材料-納米三氧化二鉍

面對環(huán)境的日益惡劣，光催化材料以其無毒無害且能高效解決污染問題而受到廣泛關(guān)注，與TiO2相比，Bi2O3具有更優(yōu)異催化性能，采用一種操作簡單、成本低廉、易于工業(yè)化生產(chǎn)且粒徑小，分散性好、純度較高的Bi2O3產(chǎn)品，具有重要的理論及實(shí)際意義。

氧化鉍（VK-Bi50）作為一種功能性材料已經(jīng)滲透到人類生活和生產(chǎn)的許多領(lǐng)域，特別是在能源利用與環(huán)境保護(hù)方面顯示出誘人的前景。因氧化鉍在紫外到500 nm以內(nèi)的可見光區(qū)有較強(qiáng)的吸收，光譜響應(yīng)范圍寬，可以克服TiO2的上述缺點(diǎn)，不僅具有較高的光催化效率，而且納米氧化鉍（VK-Bi50）材料對太陽光的吸收與利用能力提高，使其在太陽能光催化轉(zhuǎn)化、太陽能電池等領(lǐng)域均能具有較好的應(yīng)用前景。為此氧化鉍在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用受到科研工作者的廣泛重視，有關(guān)納米氧化鉍的研究如火如荼。

一、氧化鉍簡介

   1.Bi2O3的性質(zhì)

Bi2O3為淡黃色粉末，加熱時(shí)呈橙色，繼續(xù)加熱變?yōu)榧t棕色。其密度隨晶型而改變：立方晶體為8.9 g·cm-3；正方晶體為8.55 g·cm-3；單斜晶體為8.2 g·cm-3，Bi2O3在860 ℃時(shí)熔化，沸點(diǎn)為1890 ℃，不溶于堿，但溶于酸形成鉍鹽，易被C和CH4還原。雖然Bi2O3可以從天然的鉍華(一種礦物)取得，但是它主要的來源通常是煉銅或鉛時(shí)的副產(chǎn)物。

2.不同晶型Bi2O3的介紹

Bi2O3總共有6種同素異形體，即：α、β、γ、δ、ε和ω共6種晶型。但通常狀況下主要以 α、β、γ、和δ 4種晶型存在。Bi2O3的幾種晶相中，α-Bi2O3是低溫穩(wěn)定晶相，其能隙為2.85 eV，可以通過低溫直接合成，也可以通過β、γ和δ-Bi2O3降溫得到。α-Bi2O3加熱到724 ℃左右轉(zhuǎn)化成δ-Bi2O3，該晶型的穩(wěn)定狀態(tài)一直持續(xù)到860 ℃，繼續(xù)升溫，氧化秘熔融。δ-Bi2O3是高溫穩(wěn)定相，具有帶缺陷的氟化鈣型結(jié)構(gòu)其中的氧空缺呈不規(guī)則分布。由于其中的氧離子有高的流動性，很種相態(tài)表現(xiàn)出很高的離子導(dǎo)電性。參入氧離子數(shù)相同且具有相同晶相氧化物能使δ-Bi2O3冷卻至室溫仍穩(wěn)定。熔融的氧化鉍緩慢冷卻得到δ-Bi2O3，繼續(xù)冷卻得到四方β-Bi2O3和體心立方的γ-Bi2O3兩種亞穩(wěn)定相。在鍛燒溫度較低的情況下，β-Bi2O3可先于α-Bi2O3形成，如碳酸型，硝酸型及草酸型前體加熱通常先形成β-Bi2O3，升高溫度后β-Bi2O3可以轉(zhuǎn)化成α-Bi2O3。γ-Bi2O3除了在冷卻過程中形成，也可以采用電化學(xué)直接制備，參雜某些離子能增強(qiáng)補(bǔ)γ-Bi2O3的穩(wěn)定性。

二、 Bi2O3在催化反應(yīng)中的應(yīng)用

Bi2O3用途廣泛，特別是Bi2O3作為一種電子功能材料，除廣泛用于壓敏電阻，氧化鎊避雷針器，彩色顯象管，電容器等電子工業(yè)產(chǎn)品的制造；還應(yīng)用于各種磁性材料，電解質(zhì)材料，無機(jī)顏料，高折光玻璃，核工程用玻璃，防輻射材料等。但Bi2O3更是一種重要的催化材料，在催化反應(yīng)中的應(yīng)用有著廣泛的應(yīng)用潛力。目前，在催化反應(yīng)中主要以α和β型Bi2O3應(yīng)用為主。而γ型具備更優(yōu)異性能，但因其低溫難制備性在催化反應(yīng)中應(yīng)用較少。

1、燃速催化劑

氧化鉛是雙基系固體推進(jìn)劑中重要的燃速催化劑，它能提高推進(jìn)劑的燃速、降低壓強(qiáng)指數(shù)，但是鉛毒性較大，對人或環(huán)境有直接或潛在的危害。鉍化物是一種毒性低，煙霧少， 對生態(tài)極為安全的燃速催化劑。實(shí)驗(yàn)證明，納米Bi2O3（VK-Bi50） 在低壓段對推進(jìn)劑燃速的提高要優(yōu)于納米PbO， 并且具有降低推進(jìn)劑壓強(qiáng)指數(shù)的作用， 因此納米氧化鉍（VK-Bi50）具有取代納米氧化鉛的光明前途。

2、光催化降解材料

近年來，利用半導(dǎo)體光催化降解有害污染物已成為比較熱門的研究課題之一， 因其能有效地利用太陽能并在反應(yīng)中產(chǎn)生強(qiáng)氧化能力的空穴和q基自由基，因而備受人們的關(guān)注。目前使用較多的是光催化活性高、穩(wěn)定性好的 T iO 2，但由于其帶隙較寬(3. 2eV )，只能吸收波長 Κ≤387 nm 的紫外光。近年來，有報(bào)道用Bi2O3 光催化處理含亞xiao酸鹽廢水的實(shí)驗(yàn)研究， 結(jié)果表明，Bi2O3具有較好的光催化活性。 納米材料由于比表面積大，表面活性點(diǎn)多，光催化活性高，因而表現(xiàn)出更優(yōu)異的光催化性質(zhì)。雖然關(guān)于納米Bi2O3光催化活性的研究還沒有見諸報(bào)道，但是可以預(yù)見，納米Bi2O3 （VK-Bi50）具有優(yōu)于普通粉體的光催化性能。

3、另外，Bi2O3被認(rèn)為是一種極具應(yīng)用潛力的可見光催化劑。研究表明，在α-Bi2O3，存在條件下，可見光照射2小時(shí)4-氯苯酚降解率達(dá)95%，其催化性能高于同條件下的碳摻雜TiO2。α-Bi2O3，β-Bi2O3，δ-Bi2O3光催化甲基橙及4-氯苯酚降解效率遠(yuǎn)高于氮摻雜TiO2。