BiVO4基復(fù)合材料：制備、性能與應(yīng)用的深度探索

BiVO4基復(fù)合材料：制備、性能與應(yīng)用的深度探索一、引言1.1研究背景與意義隨著工業(yè)化進(jìn)程的加速和人類活動的增加，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康構(gòu)成了巨大威脅。常見的環(huán)境污染物包括有機(jī)廢水、有害氣體以及重金屬離子等，傳統(tǒng)的污染治理方法如物理吸附、化學(xué)沉淀和生物處理等存在一定的局限性，如處理效率低、成本高、易產(chǎn)生二次污染等。因此，開發(fā)高效、環(huán)保的污染治理技術(shù)迫在眉睫。光催化技術(shù)作為一種新興的環(huán)境友好型技術(shù)，在環(huán)境污染治理領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力。該技術(shù)利用光催化劑在光照條件下產(chǎn)生的光生載流子（電子-空穴對），將吸附在催化劑表面的污染物氧化或還原為無害物質(zhì)，從而實現(xiàn)污染物的降解和去除。光催化技術(shù)具有反應(yīng)條件溫和、能耗低、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效處理多種類型的污染物，如有機(jī)污染物、無機(jī)污染物和微生物等，在空氣凈化、水凈化、自清潔材料等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在眾多光催化劑中，BiVO4（釩酸鉍）因其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)而備受關(guān)注。BiVO4是一種典型的半導(dǎo)體光催化劑，具有合適的能帶結(jié)構(gòu)，其禁帶寬度約為2.4-2.5eV，能夠吸收可見光，從而拓展了光催化反應(yīng)的光源范圍，提高了太陽能的利用效率。此外，BiVO4還具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、催化活性和環(huán)境友好性，在光催化降解有機(jī)污染物、光解水制氫以及CO2還原等領(lǐng)域展現(xiàn)出了潛在的應(yīng)用價值。然而，單一的BiVO4光催化劑存在一些局限性，限制了其光催化性能的進(jìn)一步提高。例如，BiVO4的光生載流子復(fù)合率較高，導(dǎo)致光生載流子的壽命較短，無法充分發(fā)揮其光催化活性；此外，BiVO4的光吸收范圍相對較窄，對可見光的利用率有待提高。為了克服這些問題，研究人員致力于開發(fā)BiVO4基復(fù)合材料，通過將BiVO4與其他材料進(jìn)行復(fù)合，如半導(dǎo)體材料、碳材料、金屬氧化物等，利用復(fù)合材料各組分之間的協(xié)同效應(yīng)，有效提高BiVO4的光催化性能。這些復(fù)合材料不僅能夠擴(kuò)大光吸收范圍，促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸，還能增加催化劑的活性位點(diǎn)，從而提高光催化反應(yīng)的效率和選擇性。研究BiVO4基復(fù)合材料的制備及其光催化性能具有重要的理論和實際意義。在理論方面，深入研究BiVO4基復(fù)合材料的制備方法、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，有助于揭示光催化反應(yīng)的機(jī)理，為光催化劑的設(shè)計和優(yōu)化提供理論依據(jù)。在實際應(yīng)用方面，開發(fā)高效的BiVO4基復(fù)合材料，能夠為環(huán)境污染治理提供新的技術(shù)手段和材料選擇，推動光催化技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對于解決當(dāng)前嚴(yán)峻的環(huán)境問題、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。1.2BiVO4基復(fù)合材料概述BiVO4基復(fù)合材料是以BiVO4為基礎(chǔ)，通過與其他一種或多種材料復(fù)合而成的新型材料。在BiVO4基復(fù)合材料中，BiVO4作為主要的光催化活性組分，提供了基本的光催化性能，而其他復(fù)合組分則起到協(xié)同作用，共同提升材料的整體性能。這種復(fù)合材料并非簡單的物理混合，而是通過化學(xué)鍵合、界面相互作用等方式，使各組分之間形成緊密的結(jié)合，從而實現(xiàn)性能的優(yōu)化。從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來看，BiVO4晶體通常呈現(xiàn)出單斜白鎢礦結(jié)構(gòu)或四方鋯石結(jié)構(gòu)。在單斜白鎢礦結(jié)構(gòu)中，[BiO6]八面體和[VO4]四面體通過共頂點(diǎn)的方式連接，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)賦予了BiVO4一定的穩(wěn)定性和獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)。當(dāng)與其他材料復(fù)合時，復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)會發(fā)生顯著變化。例如，與碳納米材料復(fù)合時，碳納米材料可以均勻地分散在BiVO4顆粒表面，形成核殼結(jié)構(gòu)或包覆結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅增加了材料的比表面積，還改善了光生載流子的傳輸路徑；與半導(dǎo)體材料復(fù)合時，則會形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，如BiVO4/TiO2復(fù)合材料，在異質(zhì)結(jié)界面處，由于兩種半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)不同，會產(chǎn)生內(nèi)建電場，促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸。BiVO4基復(fù)合材料具有諸多性能優(yōu)勢。在光吸收性能方面，與單一的BiVO4相比，復(fù)合材料能夠拓寬光吸收范圍。如將BiVO4與窄帶隙半導(dǎo)體材料復(fù)合，可使復(fù)合材料對可見光的吸收范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，提高對太陽能的利用效率。在光生載流子的分離和傳輸性能上，復(fù)合材料表現(xiàn)出色。以BiVO4/石墨烯復(fù)合材料為例，石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，能夠快速轉(zhuǎn)移BiVO4產(chǎn)生的光生電子，有效抑制電子-空穴對的復(fù)合，延長光生載流子的壽命，從而提高光催化活性。此外，BiVO4基復(fù)合材料還具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性，能夠在不同的環(huán)境條件下保持結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定，為其實際應(yīng)用提供了保障。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在通過對BiVO4基復(fù)合材料的制備、光催化性能及應(yīng)用領(lǐng)域的深入探索，為光催化技術(shù)在環(huán)境污染治理和能源領(lǐng)域的實際應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)，具體研究目標(biāo)與內(nèi)容如下：1.3.1研究目標(biāo)制備高性能BiVO4基復(fù)合材料：通過優(yōu)化制備工藝和復(fù)合方法，制備出具有高結(jié)晶度、良好形貌、窄禁帶寬度和高比表面積的BiVO4基復(fù)合材料，有效提高光生載流子的分離效率，降低復(fù)合率，從而提升材料的光催化性能。深入研究光催化性能：系統(tǒng)研究BiVO4基復(fù)合材料在模擬太陽光或可見光照射下，對有機(jī)污染物（如有機(jī)染料、抗生素等）的光催化降解性能，以及在光解水制氫、CO2還原等反應(yīng)中的光催化活性，明確復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與光催化性能之間的關(guān)系，揭示光催化反應(yīng)機(jī)理。拓展應(yīng)用領(lǐng)域：探索BiVO4基復(fù)合材料在實際環(huán)境中的應(yīng)用潛力，如在工業(yè)廢水處理、室內(nèi)空氣凈化、自清潔材料等領(lǐng)域的應(yīng)用，為解決實際環(huán)境問題提供新的材料和技術(shù)方案。1.3.2研究內(nèi)容BiVO4基復(fù)合材料的制備：采用多種制備方法，如溶膠-凝膠法、水熱法、溶劑熱法、共沉淀法等，制備不同結(jié)構(gòu)和組成的BiVO4基復(fù)合材料。通過調(diào)整原料比例、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間等制備參數(shù)，優(yōu)化復(fù)合材料的制備工藝，探索最佳制備條件，實現(xiàn)對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和形貌的精確控制。例如，在溶膠-凝膠法中，研究不同的溶劑、催化劑和螯合劑對溶膠形成和凝膠化過程的影響，進(jìn)而影響復(fù)合材料的最終性能；在水熱法中，考察反應(yīng)溫度和時間對BiVO4晶體生長和結(jié)晶度的影響。同時，嘗試將BiVO4與不同類型的材料進(jìn)行復(fù)合，包括半導(dǎo)體材料（如TiO2、WO3、ZnO等）、碳材料（如石墨烯、碳納米管、活性炭等）、金屬氧化物（如MnO2、Fe2O3、CeO2等）以及其他功能性材料，以獲得具有協(xié)同效應(yīng)的復(fù)合材料。材料表征與分析：運(yùn)用多種先進(jìn)的材料表征技術(shù)，對制備的BiVO4基復(fù)合材料進(jìn)行全面的結(jié)構(gòu)和性能表征。利用X射線衍射（XRD）分析材料的晶體結(jié)構(gòu)和晶相組成，確定BiVO4的晶體結(jié)構(gòu)以及復(fù)合后材料的晶格變化；通過掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）觀察材料的微觀形貌、粒徑大小和分布，以及復(fù)合材料各組分之間的界面結(jié)合情況；采用比表面積分析（BET）測定材料的比表面積和孔結(jié)構(gòu)，了解材料的吸附性能；利用紫外-可見漫反射光譜（UV-VisDRS）研究材料的光吸收性能，確定其光吸收范圍和吸收邊；通過光致發(fā)光光譜（PL）、電化學(xué)阻抗譜（EIS）和瞬態(tài)光電流測試等手段，分析材料的光生載流子的分離和傳輸特性，深入了解材料的光催化機(jī)理。光催化性能測試：以有機(jī)染料（如甲基橙、羅丹明B、亞甲基藍(lán)等）、抗生素（如諾氟沙星、四環(huán)素、磺胺類藥物等）等為模擬污染物，在模擬太陽光或可見光照射下，測試BiVO4基復(fù)合材料的光催化降解性能。通過監(jiān)測反應(yīng)過程中污染物濃度隨時間的變化，計算光催化降解速率常數(shù)，評價復(fù)合材料的光催化活性。同時，考察不同因素對光催化性能的影響，如催化劑用量、污染物初始濃度、溶液pH值、光照強(qiáng)度等。此外，還將研究BiVO4基復(fù)合材料在光解水制氫和CO2還原反應(yīng)中的光催化性能，測試其產(chǎn)氫速率和CO2還原產(chǎn)物的選擇性和產(chǎn)率，評估其在能源領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。光催化反應(yīng)機(jī)理研究：結(jié)合材料表征和光催化性能測試結(jié)果，深入探討B(tài)iVO4基復(fù)合材料的光催化反應(yīng)機(jī)理。通過捕獲實驗，如利用自由基捕獲劑（如對苯醌、異丙醇、乙二胺四乙酸二鈉等）捕獲光生電子和空穴以及活性氧物種（如?OH、?O2-、1O2等），確定參與光催化反應(yīng)的主要活性物種。借助電子自旋共振（ESR）技術(shù)檢測光生自由基的種類和濃度，進(jìn)一步揭示光催化反應(yīng)過程中的電子轉(zhuǎn)移和化學(xué)反應(yīng)路徑。基于密度泛函理論（DFT）計算，分析復(fù)合材料的能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和電荷分布，從理論上解釋復(fù)合材料光催化性能提升的原因，為材料的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。應(yīng)用研究：將制備的BiVO4基復(fù)合材料應(yīng)用于實際環(huán)境體系中，開展應(yīng)用研究。在工業(yè)廢水處理方面，選擇實際的工業(yè)廢水樣本，考察復(fù)合材料對其中有機(jī)污染物和重金屬離子的去除效果，評估其在工業(yè)廢水深度處理中的可行性；在室內(nèi)空氣凈化領(lǐng)域，研究復(fù)合材料對室內(nèi)常見有害氣體（如甲醛、苯、TVOC等）的光催化降解性能，探索其在空氣凈化設(shè)備中的應(yīng)用潛力；在自清潔材料方面，將BiVO4基復(fù)合材料負(fù)載到建筑材料（如玻璃、陶瓷、涂料等）表面，制備具有自清潔功能的材料，測試其在自然光照射下對表面污染物的降解能力和耐久性，為自清潔材料的開發(fā)提供技術(shù)支持。二、BiVO4基復(fù)合材料研究現(xiàn)狀2.1BiVO4材料特性與局限性BiVO4作為一種重要的半導(dǎo)體光催化劑，具有獨(dú)特的材料特性。在光吸收方面，BiVO4的禁帶寬度約為2.4-2.5eV，這使其能夠吸收波長范圍在400-500nm左右的可見光，相較于一些只能吸收紫外光的傳統(tǒng)半導(dǎo)體光催化劑，如TiO2（禁帶寬度約為3.2eV），BiVO4對太陽光的利用效率有了顯著提高。這種對可見光的響應(yīng)能力，使得BiVO4在光催化領(lǐng)域具有更廣闊的應(yīng)用前景，能夠充分利用太陽能進(jìn)行光催化反應(yīng)，降低對外部光源的依賴，符合可持續(xù)發(fā)展的理念。從能帶結(jié)構(gòu)來看，BiVO4的導(dǎo)帶（CB）和價帶（VB）位置較為合適。其導(dǎo)帶電位相對較負(fù)，有利于光生電子參與還原反應(yīng)；價帶電位相對較正，能夠提供足夠的氧化能力，使光生空穴可以有效地氧化吸附在催化劑表面的有機(jī)污染物。這種合適的能帶位置，為光催化反應(yīng)提供了良好的熱力學(xué)驅(qū)動力，使得BiVO4在光催化降解有機(jī)污染物、光解水制氫等反應(yīng)中具有潛在的應(yīng)用價值。以光解水制氫反應(yīng)為例，BiVO4的導(dǎo)帶電子可以將水中的氫離子還原為氫氣，價帶空穴則可以將水氧化為氧氣，實現(xiàn)太陽能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化。然而，BiVO4材料也存在一些局限性，限制了其光催化性能的進(jìn)一步提升。其中，電子-空穴復(fù)合率高是一個主要問題。當(dāng)BiVO4受到光照激發(fā)產(chǎn)生光生電子-空穴對后，由于材料內(nèi)部存在的缺陷、雜質(zhì)以及晶體結(jié)構(gòu)的不完美等因素，電子和空穴很容易在短時間內(nèi)重新復(fù)合，導(dǎo)致光生載流子的壽命較短。據(jù)相關(guān)研究表明，在一些情況下，BiVO4光生載流子的復(fù)合時間可能在皮秒到納秒量級，這使得光生載流子無法充分遷移到催化劑表面參與光催化反應(yīng)，從而降低了光催化效率。例如，在光催化降解有機(jī)染料的實驗中，由于電子-空穴的快速復(fù)合，導(dǎo)致能夠參與染料降解反應(yīng)的有效光生載流子數(shù)量減少，使得染料的降解速率較慢。此外，BiVO4的光生載流子傳輸效率低也是一個不容忽視的問題。光生載流子在BiVO4內(nèi)部的傳輸過程中，會受到晶格散射、晶界阻礙等因素的影響，導(dǎo)致其遷移率較低。這使得光生載流子難以快速到達(dá)催化劑表面的活性位點(diǎn)，參與光催化反應(yīng)，進(jìn)一步降低了光催化性能。而且，BiVO4的光吸收范圍相對較窄，雖然能夠吸收部分可見光，但對于波長較長的可見光以及近紅外光的吸收能力較弱，這限制了其對太陽能的充分利用。這些局限性嚴(yán)重制約了BiVO4在光催化領(lǐng)域的實際應(yīng)用，因此，開發(fā)有效的改性方法來克服這些問題，成為了當(dāng)前BiVO4研究的重點(diǎn)方向。2.2復(fù)合改性的研究進(jìn)展為了克服BiVO4材料的局限性，提高其光催化性能，研究人員開展了大量關(guān)于BiVO4復(fù)合改性的研究工作。通過將BiVO4與不同材料進(jìn)行復(fù)合，利用復(fù)合材料各組分之間的協(xié)同效應(yīng)，有效改善了BiVO4的光吸收性能、光生載流子的分離和傳輸效率，以及催化劑的活性位點(diǎn)數(shù)量，從而顯著提升了BiVO4基復(fù)合材料的光催化性能。在BiVO4與半導(dǎo)體材料復(fù)合方面，許多研究取得了顯著成果。例如，BiVO4與TiO2復(fù)合是一種常見的策略。TiO2具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和較高的光催化活性，但其禁帶寬度較寬，只能吸收紫外光。將BiVO4與TiO2復(fù)合后，形成了異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。在這種異質(zhì)結(jié)中，由于BiVO4和TiO2的能帶結(jié)構(gòu)不同，光生載流子會在異質(zhì)結(jié)界面處發(fā)生分離，電子從BiVO4的導(dǎo)帶轉(zhuǎn)移到TiO2的導(dǎo)帶，空穴則從TiO2的價帶轉(zhuǎn)移到BiVO4的價帶，從而有效抑制了光生載流子的復(fù)合。研究表明，當(dāng)BiVO4與TiO2的復(fù)合比例為1:1時，復(fù)合材料在可見光下對甲基橙的降解效率明顯提高，相較于單一的BiVO4或TiO2，降解速率常數(shù)分別提高了2倍和3倍。這是因為合適的復(fù)合比例能夠使異質(zhì)結(jié)界面更加完善，促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸，進(jìn)而提高光催化活性。BiVO4與WO3的復(fù)合也展現(xiàn)出了良好的光催化性能提升效果。WO3是一種窄帶隙半導(dǎo)體，具有較高的光吸收能力。將BiVO4與WO3復(fù)合后，復(fù)合材料的光吸收范圍得到了進(jìn)一步拓寬，能夠吸收更多的可見光。同時，WO3的引入還改善了BiVO4的電子傳輸性能，使得光生載流子能夠更快速地遷移到催化劑表面參與反應(yīng)。有研究報道，通過水熱法制備的BiVO4/WO3復(fù)合材料，在可見光照射下對羅丹明B的降解效率在60分鐘內(nèi)達(dá)到了90%以上，而單一的BiVO4在相同條件下的降解效率僅為50%左右。在該研究中，當(dāng)WO3的含量為20%時，復(fù)合材料的光催化性能最佳，這表明復(fù)合比例對光催化性能有著重要影響，適量的WO3能夠與BiVO4形成良好的協(xié)同作用，提高光催化活性。碳材料具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和較大的比表面積，將BiVO4與碳材料復(fù)合可以有效改善其光催化性能。以BiVO4與石墨烯復(fù)合為例，石墨烯作為一種二維碳材料，具有極高的電子遷移率。在BiVO4/石墨烯復(fù)合材料中，石墨烯可以作為電子傳輸通道，快速轉(zhuǎn)移BiVO4產(chǎn)生的光生電子，從而抑制電子-空穴對的復(fù)合。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石墨烯的含量為1%時，BiVO4/石墨烯復(fù)合材料在可見光下對亞甲基藍(lán)的降解效率比單一BiVO4提高了3倍。這是因為少量的石墨烯就能在復(fù)合材料中形成有效的電子傳輸網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸，同時，石墨烯較大的比表面積還能增加催化劑對污染物的吸附能力，為光催化反應(yīng)提供更多的活性位點(diǎn)。BiVO4與碳納米管的復(fù)合也受到了廣泛關(guān)注。碳納米管具有獨(dú)特的一維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電學(xué)性能，能夠與BiVO4形成良好的界面接觸，促進(jìn)光生載流子的傳輸。有研究通過超聲輔助法制備了BiVO4/碳納米管復(fù)合材料，結(jié)果表明，該復(fù)合材料在可見光下對有機(jī)污染物的降解效率明顯優(yōu)于單一的BiVO4。當(dāng)碳納米管的含量為5%時，復(fù)合材料的光催化活性最高，這說明在一定范圍內(nèi)增加碳納米管的含量可以提高復(fù)合材料的光催化性能，但過量的碳納米管可能會導(dǎo)致團(tuán)聚，影響光生載流子的傳輸和催化劑的活性位點(diǎn)暴露，從而降低光催化性能。金屬氧化物由于具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，與BiVO4復(fù)合后也能顯著提升其光催化性能。例如，MnO2具有良好的氧化還原性能和較高的催化活性。將BiVO4與MnO2復(fù)合后，MnO2可以作為電子捕獲劑，捕獲BiVO4產(chǎn)生的光生電子，從而促進(jìn)電子-空穴對的分離。研究表明，BiVO4/MnO2復(fù)合材料在可見光下對有機(jī)染料的降解效率比單一BiVO4提高了2.5倍。在該復(fù)合體系中，當(dāng)MnO2的負(fù)載量為10%時，復(fù)合材料的光催化性能最佳，這表明合適的MnO2負(fù)載量能夠充分發(fā)揮其協(xié)同作用，提高光催化活性。BiVO4與Fe2O3的復(fù)合也取得了一定的研究成果。Fe2O3是一種常見的半導(dǎo)體金屬氧化物，具有合適的能帶結(jié)構(gòu)和良好的光吸收性能。將BiVO4與Fe2O3復(fù)合后，形成了p-n異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，有效促進(jìn)了光生載流子的分離和傳輸。有研究通過共沉淀法制備了BiVO4/Fe2O3復(fù)合材料，結(jié)果顯示，該復(fù)合材料在可見光下對抗生素的降解效率明顯優(yōu)于單一的BiVO4和Fe2O3。當(dāng)Fe2O3的含量為15%時，復(fù)合材料的光催化性能達(dá)到最佳，這說明復(fù)合比例對復(fù)合材料的光催化性能有著重要影響，通過優(yōu)化復(fù)合比例可以實現(xiàn)復(fù)合材料性能的最大化。2.3現(xiàn)有研究的不足與展望盡管目前在BiVO4基復(fù)合材料的研究方面已取得了一定的成果，但仍存在一些不足之處，需要在未來的研究中加以改進(jìn)和完善。在制備工藝方面，雖然已經(jīng)發(fā)展了多種制備BiVO4基復(fù)合材料的方法，如溶膠-凝膠法、水熱法、溶劑熱法、共沉淀法等，但這些方法在實際應(yīng)用中仍存在一些問題。例如，水熱法和溶劑熱法需要高溫高壓條件，對設(shè)備要求較高，制備成本也相對較高，這限制了其大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。而共沉淀法和溶膠-凝膠法雖然反應(yīng)條件相對溫和，但制備過程較為復(fù)雜，且容易引入雜質(zhì)，影響復(fù)合材料的性能。此外，目前的制備工藝在對復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和形貌控制方面還不夠精確，難以實現(xiàn)對復(fù)合材料性能的精準(zhǔn)調(diào)控。因此，開發(fā)更加簡單、高效、低成本且能夠精確控制復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和形貌的制備工藝，是未來研究的重要方向之一。例如，可以探索新型的制備技術(shù)，如噴霧熱解法、電紡絲法等，這些方法可能具有制備過程簡單、可連續(xù)生產(chǎn)、能夠精確控制材料結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，有望為BiVO4基復(fù)合材料的大規(guī)模制備和應(yīng)用提供技術(shù)支持。在光催化機(jī)理研究方面，雖然已經(jīng)對BiVO4基復(fù)合材料的光催化反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了一些探索，但目前的認(rèn)識還不夠深入和全面。光催化反應(yīng)涉及到光生載流子的產(chǎn)生、分離、傳輸以及表面化學(xué)反應(yīng)等多個復(fù)雜過程，受到材料的晶體結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)、復(fù)合界面等多種因素的影響。目前對于這些因素如何協(xié)同作用影響光催化性能的內(nèi)在機(jī)制還不完全清楚，例如，在復(fù)合材料的異質(zhì)結(jié)界面處，光生載流子的轉(zhuǎn)移和復(fù)合過程還缺乏深入的研究，對于不同復(fù)合體系中活性物種的產(chǎn)生和作用機(jī)制也有待進(jìn)一步明確。因此，未來需要綜合運(yùn)用多種先進(jìn)的表征技術(shù)和理論計算方法，如原位表征技術(shù)、理論模擬計算等，深入研究BiVO4基復(fù)合材料的光催化反應(yīng)機(jī)理，為材料的設(shè)計和優(yōu)化提供更加堅實的理論基礎(chǔ)。通過原位表征技術(shù)，可以實時觀察光催化反應(yīng)過程中材料的結(jié)構(gòu)和電子態(tài)變化，獲取光生載流子的動態(tài)行為信息；利用理論模擬計算，則可以從原子和分子層面揭示光催化反應(yīng)的微觀機(jī)制，預(yù)測材料的性能，指導(dǎo)實驗研究。在實際應(yīng)用拓展方面，BiVO4基復(fù)合材料雖然在光催化降解有機(jī)污染物、光解水制氫等領(lǐng)域展現(xiàn)出了潛在的應(yīng)用價值，但目前大多還處于實驗室研究階段，距離實際應(yīng)用還有一定的距離。在實際應(yīng)用中，需要考慮材料的穩(wěn)定性、耐久性、成本以及與實際環(huán)境的兼容性等多個因素。例如，在工業(yè)廢水處理中，廢水的成分復(fù)雜，含有多種雜質(zhì)和離子，可能會對BiVO4基復(fù)合材料的光催化性能產(chǎn)生影響，同時，長期運(yùn)行過程中催化劑的穩(wěn)定性和活性保持也是需要解決的問題。在室內(nèi)空氣凈化領(lǐng)域，需要開發(fā)出易于集成到空氣凈化設(shè)備中的BiVO4基復(fù)合材料，并確保其在低濃度污染物條件下仍具有良好的凈化效果。此外，降低材料的制備成本也是實現(xiàn)其大規(guī)模實際應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。因此，未來需要加強(qiáng)BiVO4基復(fù)合材料在實際應(yīng)用方面的研究，通過優(yōu)化材料的制備工藝、改進(jìn)催化劑的負(fù)載方式、開發(fā)新型的反應(yīng)器等手段，提高材料的穩(wěn)定性和耐久性，降低成本，推動其在實際環(huán)境中的應(yīng)用。三、BiVO4基復(fù)合材料的制備方法3.1常見制備方法原理與特點(diǎn)3.1.1水熱法水熱法是在特制的密閉反應(yīng)容器（高壓釜）中，以水作為溶劑，通過加熱反應(yīng)容器創(chuàng)造高溫（通常為100-1000℃）、高壓（1-100MPa）的反應(yīng)環(huán)境，使通常難溶或不溶的物質(zhì)溶解并重結(jié)晶，從而制備材料的一種方法。其原理基于溶解-再結(jié)晶機(jī)制，首先營養(yǎng)料在水熱介質(zhì)里溶解，以離子、分子團(tuán)的形式進(jìn)入溶液。利用釜內(nèi)上下部分的溫度差產(chǎn)生的強(qiáng)烈對流，將這些離子、分子或離子團(tuán)輸運(yùn)到放有籽晶的生長區(qū)（即低溫區(qū)）形成過飽和溶液，繼而結(jié)晶。水熱法具有諸多優(yōu)點(diǎn)。該方法制備的粉體晶粒發(fā)育完整，粒度小且分布均勻，顆粒團(tuán)聚較輕。水熱法通常不需高溫?zé)Y(jié)即可直接得到結(jié)晶粉末，避免了高溫?zé)Y(jié)過程中可能形成的微粒硬團(tuán)聚，也省去了研磨及由此帶來的雜質(zhì)。在制備BiVO4基復(fù)合材料時，通過調(diào)節(jié)反應(yīng)條件，如溫度、反應(yīng)時間、溶液pH值等，能夠精確控制納米微粒的晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)晶形態(tài)與晶粒純度，既可以制備單組分微小單晶體，又可制備雙組分或多組分的特殊化合物粉末。水熱法能夠制備金屬、氧化物和復(fù)合氧化物等多種粉體材料，所得粉體材料的粒度范圍通常為0.1μm至幾微米，有些甚至可以達(dá)到幾十納米。然而，水熱法也存在一定的局限性。水熱法一般只能制備氧化物粉體，對于一些非氧化物材料的制備則不適用。關(guān)于晶核形成過程和晶體生長過程影響因素的控制等很多方面，目前還缺乏深入研究，尚未得到令人滿意的結(jié)論。水熱法需要高溫高壓步驟，對生產(chǎn)設(shè)備的依賴性較強(qiáng)，設(shè)備成本較高，這在一定程度上影響和阻礙了水熱法的大規(guī)模應(yīng)用。因此，水熱法有向低溫低壓發(fā)展的趨勢，即溫度低于100℃，壓力接近1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的水熱條件。3.1.2溶劑熱法溶劑熱法是在水熱法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，指在密閉體系如高壓釜內(nèi)，以有機(jī)物或非水溶媒為溶劑，在一定的溫度和溶液的自生壓力下，原始混合物進(jìn)行反應(yīng)的一種合成方法。在溶劑熱反應(yīng)中，將一種或幾種前驅(qū)體溶解在非水溶劑中，在液相或超臨界條件下，反應(yīng)物分散在溶液中并且變得比較活潑，反應(yīng)發(fā)生，產(chǎn)物緩慢生成。溶劑熱法與水熱法的原理相似，都是利用高溫高壓環(huán)境促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行，但二者也存在明顯的區(qū)別，其中最主要的區(qū)別在于所使用的溶劑不同，水熱法使用水作為溶劑，而溶劑熱法使用的是有機(jī)物或非水溶媒。水熱法往往只適用于氧化物功能材料或少數(shù)一些對水不敏感的硫?qū)倩衔锏闹苽渑c處理，當(dāng)涉及到一些對水敏感（與水反應(yīng)、水解、分解或不穩(wěn)定）的化合物，如Ⅲ-V族半導(dǎo)體、碳化物、氟化物、新型磷（砷）酸鹽分子篩三維骨架結(jié)構(gòu)材料的制備與處理時，水熱法就不再適用，而溶劑熱法則可以解決這些問題。在溶劑熱條件下，溶劑的性質(zhì)（密度、粘度、分散作用）相互影響，變化很大，且其性質(zhì)與通常條件下相差很大，相應(yīng)地，反應(yīng)物（通常是固體）的溶解、分散過程及化學(xué)反應(yīng)活性大大提高或增強(qiáng)，這使得反應(yīng)能夠在較低的溫度下發(fā)生。溶劑熱法能夠控制物相的形成、粒徑的大小和形態(tài)，產(chǎn)物的分散性較好。通過選擇不同的溶劑，可以得到不同形貌的產(chǎn)品。不過，溶劑熱法也有不足之處，該方法產(chǎn)率較低、產(chǎn)品的純度不夠高，并且在產(chǎn)品尺寸和形貌的均一程度上不盡如人意。由于使用的是有機(jī)溶劑，實驗過程中存在一定的安全風(fēng)險，需要更加注意實驗操作規(guī)范。3.1.3沉淀法沉淀法是通過沉淀反應(yīng)，使溶液中的某些離子、物質(zhì)在溶液中發(fā)生反應(yīng)，形成沉淀物，再經(jīng)過分離、洗滌、干燥等后處理步驟得到材料的方法。在沉淀法制備BiVO4基復(fù)合材料時，通常是將含有Bi3+和VO43-的溶液混合，通過加入沉淀劑，調(diào)節(jié)溶液的pH值等條件，使BiVO4以沉淀的形式析出。如果要制備BiVO4與其他材料的復(fù)合材料，如BiVO4/金屬氧化物復(fù)合材料，可以在含有Bi3+、VO43-以及金屬離子的混合溶液中，加入合適的沉淀劑，使BiVO4和金屬氧化物同時沉淀出來，或者先沉淀出BiVO4，再通過后續(xù)處理將金屬氧化物負(fù)載到BiVO4表面。沉淀法的操作相對簡單，容易控制，成本低廉。該方法可以有效地分離復(fù)雜的混合物，并保留物質(zhì)的活性和品質(zhì)，有利于提取高純度的產(chǎn)物。沉淀法適用于制備多種類型的材料，不僅可以制備BiVO4基復(fù)合材料用于光催化領(lǐng)域，在其他領(lǐng)域，如制備白炭黑等無機(jī)非金屬材料時也被廣泛應(yīng)用。通過控制沉淀反應(yīng)的條件，如沉淀劑的種類和用量、反應(yīng)溫度、溶液pH值等，可以對材料的粒徑、形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定程度的調(diào)控。但是，沉淀法也存在一些缺點(diǎn)。在沉淀過程中，容易引入雜質(zhì)，這些雜質(zhì)可能會影響材料的性能。沉淀法制備的材料可能會存在團(tuán)聚現(xiàn)象，需要通過后續(xù)的處理方法來改善團(tuán)聚問題。對于一些對形貌和結(jié)構(gòu)要求非常嚴(yán)格的材料制備，沉淀法可能難以滿足要求，因為其對材料形貌和結(jié)構(gòu)的控制精度相對有限。3.1.4溶膠-凝膠法溶膠-凝膠法是一種以液體為基礎(chǔ)，用以制備材料的化學(xué)方法。該方法基于膠體化學(xué)原理，其過程涉及溶膠和凝膠兩個主要階段。在溶膠階段，有機(jī)或無機(jī)前驅(qū)體在溶劑中形成粒子分散系統(tǒng)，形成溶膠。前驅(qū)體通常為金屬無機(jī)鹽或金屬醇鹽，它們在溶劑中溶解后，通過水解和縮聚反應(yīng)，形成溶膠粒子。例如，在金屬醇鹽水解法中，將金屬醇鹽溶入有機(jī)溶劑，加水后會發(fā)生水解反應(yīng)，生成相應(yīng)的氫氧化物或醇鹽，這些水解產(chǎn)物之間再發(fā)生縮聚反應(yīng)，形成聚合度較高的化合物，從而形成溶膠。隨后在凝膠階段，分散的粒子或多聚物通過化學(xué)反應(yīng)形成一個連續(xù)的三維網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生凝膠。這一階段主要的反應(yīng)機(jī)制是溶膠粒子的連續(xù)生長、交聯(lián)以及凝膠結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步演變。通過控制反應(yīng)條件，如溫度、壓力、pH值、反應(yīng)時間等，可以獲得預(yù)期的凝膠結(jié)構(gòu)。凝膠經(jīng)過干燥、熱處理等后續(xù)處理，去除其中的有機(jī)成分，最終得到所需的材料。溶膠-凝膠法具有反應(yīng)條件溫和的優(yōu)點(diǎn)，通常不需要高溫高壓，對設(shè)備技術(shù)要求不高。該方法體系化學(xué)均勻性好，能夠在分子或納米尺度上精確控制材料的組成和結(jié)構(gòu)，通過改變?nèi)苣z-凝膠過程的參數(shù)，可以裁剪控制納米材料的顯微結(jié)構(gòu)。溶膠-凝膠法不僅可用于制備超微粉末和薄膜，還成功應(yīng)用于顆粒表面包覆。在制備BiVO4基復(fù)合材料時，能夠精確控制BiVO4與其他復(fù)合組分之間的結(jié)合方式和比例，從而有效調(diào)控復(fù)合材料的性能。然而，溶膠-凝膠法也面臨一些挑戰(zhàn)。制備過程包含了一系列化學(xué)反應(yīng)和物理過程，如溶膠粒子的形成、凝膠網(wǎng)絡(luò)的建立和干燥、熱處理等步驟，這些過程的控制需要精細(xì)的操作和深入的理解，制備過程相對復(fù)雜。雖然溶膠-凝膠法能制備出各種類型的材料，但如何進(jìn)一步優(yōu)化這些材料的性能，使其更好地滿足實際應(yīng)用的需求，仍然是一個需要解決的問題，這包括提高材料的機(jī)械性能、電學(xué)性能、光學(xué)性能等，并使其在特定環(huán)境下具有良好的穩(wěn)定性和耐久性。在實驗室規(guī)模下，利用溶膠-凝膠法可以制備出多種具有優(yōu)良性能的材料，但將制備規(guī)模從實驗室擴(kuò)大到工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模時，會涉及到反應(yīng)條件的精確控制、生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計和優(yōu)化、生產(chǎn)過程的自動化等問題，目前還存在一定的技術(shù)難題需要攻克。3.2實驗選擇的制備方法及步驟3.2.1方法選擇依據(jù)本實驗最終選擇水熱法來制備BiVO4基復(fù)合材料。水熱法能夠提供高溫高壓的反應(yīng)環(huán)境，這對于BiVO4晶體的生長和結(jié)晶具有重要意義。在這種環(huán)境下，BiVO4的晶體結(jié)構(gòu)能夠發(fā)育得更加完整，從而提高材料的結(jié)晶度，而高結(jié)晶度對于光催化性能的提升至關(guān)重要，能夠減少晶體缺陷，降低光生載流子的復(fù)合中心。同時，水熱法可以精確控制反應(yīng)條件，如溫度、反應(yīng)時間、溶液pH值等，這些條件的精確控制有利于調(diào)控BiVO4基復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和形貌。例如，通過調(diào)節(jié)溫度和反應(yīng)時間，可以控制BiVO4顆粒的大小和形狀，進(jìn)而影響材料的比表面積和光吸收性能。合適的比表面積能夠增加催化劑與反應(yīng)物的接觸面積，提高光催化反應(yīng)的效率；而優(yōu)化光吸收性能則可以使材料更充分地利用光能，激發(fā)更多的光生載流子。此外，水熱法制備的粉體粒度小且分布均勻，顆粒團(tuán)聚較輕，這有助于提高材料的分散性，使催化劑在反應(yīng)體系中能夠更均勻地分布，充分發(fā)揮其催化活性。相比其他方法，如沉淀法容易引入雜質(zhì)且對材料形貌控制能力有限，溶膠-凝膠法制備過程復(fù)雜、成本較高，水熱法在制備BiVO4基復(fù)合材料方面具有明顯的優(yōu)勢，更符合本實驗對材料性能和制備工藝的要求。3.2.2詳細(xì)制備步驟原料準(zhǔn)備：準(zhǔn)確稱取一定量的五水硝酸鉍（Bi(NO3)3?5H2O）和偏釩酸銨（NH4VO3）作為BiVO4的前驅(qū)體。五水硝酸鉍提供Bi3+離子，偏釩酸銨提供VO43-離子。根據(jù)所需制備的BiVO4基復(fù)合材料的化學(xué)計量比，精確計算兩種前驅(qū)體的用量。例如，若要制備純BiVO4，Bi(NO3)3?5H2O和NH4VO3的物質(zhì)的量之比應(yīng)為1:1。同時，準(zhǔn)備適量的去離子水和無水乙醇作為溶劑，去離子水用于溶解前驅(qū)體，無水乙醇則用于后續(xù)的洗滌步驟，以去除雜質(zhì)。另外，根據(jù)實驗設(shè)計，準(zhǔn)備需要復(fù)合的其他材料，如TiO2納米顆粒、石墨烯等。若選擇TiO2納米顆粒，需準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量的TiO2納米顆粒，其質(zhì)量比例根據(jù)復(fù)合材料的設(shè)計要求而定，如設(shè)計BiVO4與TiO2的質(zhì)量比為3:1，則按照此比例準(zhǔn)確稱取TiO2納米顆粒。溶液配制：將稱取好的Bi(NO3)3?5H2O加入到適量的去離子水中，攪拌使其充分溶解。由于Bi(NO3)3?5H2O在水中會發(fā)生水解反應(yīng)，為了抑制水解，向溶液中滴加幾滴稀硝酸，調(diào)節(jié)溶液的pH值至酸性，一般控制pH值在2-3之間，此時溶液呈現(xiàn)澄清透明狀態(tài)。在另一容器中，將NH4VO3加入到適量的去離子水中，加熱并攪拌，使其完全溶解。加熱溫度一般控制在60-80℃之間，以加快NH4VO3的溶解速度。待NH4VO3完全溶解后，將其緩慢滴加到含有Bi(NO3)3的溶液中，同時持續(xù)攪拌。滴加過程中，溶液中會逐漸出現(xiàn)黃色沉淀，這是BiVO4的前驅(qū)體開始形成。繼續(xù)攪拌一段時間，使反應(yīng)充分進(jìn)行，攪拌時間一般為30-60分鐘。水熱反應(yīng)：將上述含有沉淀的混合溶液轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中，反應(yīng)釜的填充度一般控制在60%-80%之間，以避免在加熱過程中因溶液膨脹而導(dǎo)致危險。將反應(yīng)釜密封好后，放入烘箱中進(jìn)行水熱反應(yīng)。設(shè)置烘箱溫度為180-200℃，反應(yīng)時間為12-24小時。在高溫高壓的環(huán)境下，BiVO4的前驅(qū)體逐漸結(jié)晶生長，形成BiVO4晶體。若制備BiVO4基復(fù)合材料，如BiVO4/TiO2復(fù)合材料，在轉(zhuǎn)移溶液至反應(yīng)釜之前，需將稱取好的TiO2納米顆粒加入到混合溶液中，超聲分散30分鐘，使TiO2納米顆粒均勻分散在溶液中，然后再轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜進(jìn)行水熱反應(yīng)。在水熱反應(yīng)過程中，TiO2納米顆粒與BiVO4晶體之間會發(fā)生相互作用，形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。產(chǎn)物分離與洗滌：水熱反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)釜從烘箱中取出，自然冷卻至室溫。然后打開反應(yīng)釜，將反應(yīng)產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至離心管中，放入離心機(jī)中進(jìn)行離心分離，離心速度一般設(shè)置為8000-10000轉(zhuǎn)/分鐘，離心時間為10-15分鐘。通過離心，BiVO4基復(fù)合材料沉淀在離心管底部，上清液則被分離出來。倒掉上清液后，向離心管中加入適量的無水乙醇，超聲分散10-15分鐘，使沉淀重新分散，然后再次進(jìn)行離心分離。重復(fù)洗滌步驟3-4次，以徹底去除產(chǎn)物表面吸附的雜質(zhì)離子和未反應(yīng)的前驅(qū)體。干燥與研磨：將洗滌后的產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至表面皿中，放入烘箱中進(jìn)行干燥處理，干燥溫度設(shè)置為60-80℃，干燥時間為6-8小時。干燥后的產(chǎn)物可能會形成塊狀，需要用研缽進(jìn)行研磨，將其研磨成均勻的粉末狀，以便后續(xù)的材料表征和光催化性能測試。研磨過程中，需注意力度適中，避免過度研磨導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)破壞。四、BiVO4基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能表征4.1表征技術(shù)與方法4.1.1X射線衍射（XRD）分析X射線衍射（XRD）分析是一種用于研究材料晶體結(jié)構(gòu)、晶相組成和結(jié)晶度的重要技術(shù)，其原理基于X射線與晶體物質(zhì)的相互作用。當(dāng)X射線照射到晶體上時，晶體中的原子會對X射線產(chǎn)生散射。由于晶體是由原子規(guī)則排列成的晶胞組成，這些規(guī)則排列的原子間距離與入射X射線波長有相同數(shù)量級，故由不同原子散射的X射線相互干涉，在某些特殊方向上產(chǎn)生強(qiáng)X射線衍射。布拉格方程（n\lambda=2d\sin\theta）是XRD分析的重要理論基礎(chǔ)，其中n是衍射序數(shù)，\lambda是入射X射線的波長，d是晶體的晶面間距，\theta是入射角。該方程規(guī)定了X射線在晶體內(nèi)產(chǎn)生衍射的必要條件，只有d、\theta同時滿足布拉格方程時，晶體才能產(chǎn)生衍射。通過測量衍射角\theta，可以根據(jù)布拉格定律計算出晶面的間距d，進(jìn)而得到晶體的晶格結(jié)構(gòu)和組成信息。在BiVO4基復(fù)合材料的研究中，XRD分析有著廣泛的應(yīng)用。通過XRD圖譜，可以確定復(fù)合材料中BiVO4的晶體結(jié)構(gòu)，判斷其是單斜白鎢礦結(jié)構(gòu)還是四方鋯石結(jié)構(gòu)。同時，通過與標(biāo)準(zhǔn)卡片對比，可以鑒定復(fù)合材料中是否存在其他晶相，以及各晶相的相對含量。例如，在制備BiVO4/TiO2復(fù)合材料時，XRD圖譜可以清晰地顯示出BiVO4和TiO2的特征衍射峰，從而確定復(fù)合材料中兩種組分的存在及其晶相組成。此外，XRD還可以用于分析復(fù)合材料的結(jié)晶度，結(jié)晶度的高低直接影響著材料的性能，較高的結(jié)晶度通常意味著材料具有更好的光催化性能。通過計算XRD圖譜中衍射峰的積分強(qiáng)度和半高寬等參數(shù)，可以評估復(fù)合材料的結(jié)晶度變化。4.1.2掃描電子顯微鏡（SEM）觀察掃描電子顯微鏡（SEM）是觀察材料表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)的重要工具，其原理基于電子束與樣品的相互作用。SEM利用電子槍發(fā)射的電子束，在加速電壓的作用下，經(jīng)過電磁透鏡聚焦后，以極細(xì)的束斑在樣品表面進(jìn)行掃描。電子束與樣品表面相互作用，激發(fā)出各種物理信號，其中二次電子對樣品表面形貌極為敏感，是SEM成像的主要信號來源。二次電子為入射電子所激發(fā)的樣品原子外層電子，其能量較低，僅在樣品表面附近幾個納米深度以內(nèi)才有電子從表面逃逸。所以，它對試樣表面的狀態(tài)非常敏感，主要用于掃描電鏡下試樣表面形貌的觀察。入射電子在樣品中存在淚滴狀彌散范圍，而在樣品表層還沒有明顯彌散，使得二次電子像具有較高空間分辨率。背散射電子則用于觀察樣品表面形貌并進(jìn)行定性分析，它是入射電子被樣品中的電子散射后射出樣品的上部，其產(chǎn)額隨樣品原子序數(shù)增加而提高，可以表明原子序數(shù)襯度高，可用來定性分析樣品組成。SEM在BiVO4基復(fù)合材料的研究中具有獨(dú)特的優(yōu)勢。通過SEM觀察，可以直觀地了解復(fù)合材料的表面形貌，如顆粒的大小、形狀、分布以及團(tuán)聚情況等。對于BiVO4基復(fù)合材料，SEM圖像可以清晰地顯示出BiVO4顆粒的形貌特征，以及其與其他復(fù)合組分之間的結(jié)合方式和分布情況。例如，在BiVO4/石墨烯復(fù)合材料中，SEM可以觀察到石墨烯均勻地包覆在BiVO4顆粒表面，形成了良好的復(fù)合結(jié)構(gòu)。此外，SEM還可以用于分析復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，如孔隙結(jié)構(gòu)、晶界等，這些微觀結(jié)構(gòu)信息對于理解材料的性能具有重要意義。同時，SEM的大景深特點(diǎn)使得其能夠清晰呈現(xiàn)樣品的三維形貌，為研究材料的微觀結(jié)構(gòu)提供了更全面的信息。4.1.3透射電子顯微鏡（TEM）分析透射電子顯微鏡（TEM）是一種能夠深入分析材料微觀結(jié)構(gòu)、晶體缺陷和元素分布的強(qiáng)大技術(shù)。其原理基于電子的波動性質(zhì)，電子束經(jīng)過高壓加速后，通過聚光鏡聚焦，穿透樣品時受到樣品的調(diào)制，攜帶了樣品的內(nèi)部信息，再通過物鏡、中間鏡和投影鏡的放大，最終在熒光屏或照相底片上成像。Temu采用波長極短的高速電子束作為照明源，普通光學(xué)顯微鏡的分辨率受限于照明束的波長，而電子束的波長遠(yuǎn)短于可見光，因此Temu的分辨率遠(yuǎn)超傳統(tǒng)顯微鏡，能夠?qū)崿F(xiàn)原子級別的高分辨率成像。在BiVO4基復(fù)合材料的研究中，Temu發(fā)揮著重要作用。通過Temu的高分辨率成像，可以清晰地觀察到BiVO4基復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，包括BiVO4晶體的晶格結(jié)構(gòu)、晶面取向以及與其他復(fù)合組分之間的界面結(jié)構(gòu)。例如，在BiVO4/MnO2復(fù)合材料中，Temu圖像能夠直觀地展示BiVO4與MnO2之間的異質(zhì)結(jié)界面，以及界面處的原子排列情況，有助于深入理解復(fù)合材料的光催化機(jī)理。此外，Temu還可以用于分析材料的晶體缺陷，如位錯、空位等，這些晶體缺陷會影響材料的光生載流子傳輸和復(fù)合，進(jìn)而影響光催化性能。通過電子衍射模式，Temu能夠獲取材料的晶體結(jié)構(gòu)信息，確定材料的晶相和晶格參數(shù)。同時，結(jié)合能譜分析（EDS），Temu還可以對復(fù)合材料中的元素分布進(jìn)行分析，了解各元素在材料中的分布情況，為研究復(fù)合材料的組成和性能提供重要依據(jù)。4.1.4光吸收性能測試（UV-Vis）光吸收性能測試（UV-Vis）是研究材料光吸收特性、確定光響應(yīng)范圍的重要手段，其原理基于物質(zhì)對光的選擇性吸收。當(dāng)光照射到材料上時，材料中的分子或離子會吸收特定波長的光，從而產(chǎn)生吸收光譜。在紫外-可見分光光度法中，依據(jù)電子躍遷光譜，通常分子軌道基態(tài)外層電子處在一定能級，當(dāng)分子外層吸收紫外或者可見輻射后，從基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷。其中紫外光譜范圍為200-400nm，可見光譜范圍為400-780nm。其定性依據(jù)是不同物質(zhì)對不同波長吸光度不同，定量依據(jù)是朗伯比爾定律（A=\varepsilonbc），其中A為吸光度，\varepsilon為摩爾吸光系數(shù)，b為樣品池厚度，c為物質(zhì)濃度。在BiVO4基復(fù)合材料的研究中，UV-Vis測試具有重要意義。通過UV-Vis漫反射光譜（DRS），可以研究復(fù)合材料的光吸收性能，確定其光吸收范圍和吸收邊。BiVO4的禁帶寬度約為2.4-2.5eV，對應(yīng)其光吸收邊在500-520nm左右。當(dāng)BiVO4與其他材料復(fù)合后，如與窄帶隙半導(dǎo)體材料復(fù)合，UV-Vis光譜可以顯示出復(fù)合材料的光吸收范圍拓寬，吸收邊發(fā)生紅移，表明復(fù)合材料對可見光的吸收能力增強(qiáng)，從而提高了太陽能的利用效率。此外，UV-Vis測試還可以用于分析復(fù)合材料中各組分之間的相互作用對光吸收性能的影響，為優(yōu)化復(fù)合材料的光催化性能提供依據(jù)。4.1.5其他表征手段除了上述幾種主要的表征手段外，傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）、拉曼光譜等其他表征手段在BiVO4基復(fù)合材料的研究中也具有重要作用。傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）是鑒別物質(zhì)和分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)的有效手段，通過產(chǎn)生固體、液體或氣體的紅外吸收光譜來檢測分子中的化學(xué)鍵。在BiVO4基復(fù)合材料中，F(xiàn)T-IR可以用于分析材料表面的官能團(tuán)和化學(xué)鍵，確定復(fù)合材料中是否存在特定的化學(xué)基團(tuán)，以及這些基團(tuán)在復(fù)合材料中的化學(xué)環(huán)境。例如，通過FT-IR光譜可以檢測BiVO4表面的羥基、羰基等官能團(tuán)，以及它們在與其他材料復(fù)合過程中的變化情況。此外，F(xiàn)T-IR還可以用于研究復(fù)合材料中各組分之間的相互作用，如氫鍵、化學(xué)鍵合等，這些相互作用會影響復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能。拉曼光譜是一種基于光與物質(zhì)分子相互作用產(chǎn)生的非彈性散射光譜技術(shù)，能夠提供分子振動和轉(zhuǎn)動的信息。在BiVO4基復(fù)合材料中，拉曼光譜可以用于分析BiVO4的晶體結(jié)構(gòu)和晶格振動模式，以及復(fù)合材料中各組分之間的相互作用對晶體結(jié)構(gòu)的影響。不同的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵會產(chǎn)生不同的拉曼散射峰，通過分析拉曼光譜中的特征峰，可以確定BiVO4的晶體結(jié)構(gòu)和晶相組成。同時，拉曼光譜還可以用于檢測復(fù)合材料中的應(yīng)力、缺陷等信息，這些信息對于理解材料的性能和光催化反應(yīng)機(jī)理具有重要意義。四、BiVO4基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能表征4.2實驗結(jié)果與分析4.2.1結(jié)構(gòu)表征結(jié)果通過X射線衍射（XRD）分析對制備的BiVO4基復(fù)合材料的晶體結(jié)構(gòu)和晶相組成進(jìn)行了研究。圖1展示了純BiVO4以及BiVO4/TiO2復(fù)合材料的XRD圖譜。在純BiVO4的XRD圖譜中，出現(xiàn)了一系列尖銳的衍射峰，這些衍射峰與單斜白鎢礦結(jié)構(gòu)BiVO4的標(biāo)準(zhǔn)卡片（JCPDSNo.14-0688）完全匹配，表明成功制備出了單斜白鎢礦結(jié)構(gòu)的BiVO4。其中，在2θ為28.9°、30.8°、34.8°、47.5°、56.3°等位置的衍射峰分別對應(yīng)于單斜白鎢礦結(jié)構(gòu)BiVO4的（121）、（040）、（200）、（240）、（161）晶面。對于BiVO4/TiO2復(fù)合材料的XRD圖譜，除了BiVO4的特征衍射峰外，還出現(xiàn)了TiO2銳鈦礦相的特征衍射峰。在2θ為25.3°、37.8°、48.1°、54.0°、55.1°等位置的衍射峰分別對應(yīng)于TiO2銳鈦礦相的（101）、（004）、（200）、（105）、（211）晶面，這表明TiO2成功地與BiVO4復(fù)合，形成了BiVO4/TiO2復(fù)合材料。同時，通過對比純BiVO4和BiVO4/TiO2復(fù)合材料中BiVO4特征衍射峰的位置和強(qiáng)度，可以發(fā)現(xiàn)復(fù)合后BiVO4的衍射峰位置基本沒有發(fā)生變化，但強(qiáng)度略有降低，這可能是由于TiO2的存在對BiVO4的結(jié)晶度產(chǎn)生了一定的影響，或者是TiO2在BiVO4表面的包覆導(dǎo)致BiVO4的衍射峰強(qiáng)度減弱。為了進(jìn)一步觀察BiVO4基復(fù)合材料的微觀形貌，采用掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行了觀察。圖2（a）和（b）分別為純BiVO4和BiVO4/TiO2復(fù)合材料的SEM圖像。從圖2（a）可以看出，純BiVO4呈現(xiàn)出不規(guī)則的顆粒狀，顆粒大小分布不均勻，粒徑范圍在幾百納米到幾微米之間，部分顆粒存在團(tuán)聚現(xiàn)象。而在圖2（b）中，BiVO4/TiO2復(fù)合材料中，BiVO4顆粒表面均勻地分布著TiO2納米顆粒，TiO2納米顆粒的粒徑較小，約為幾十納米。這種均勻的復(fù)合結(jié)構(gòu)有助于增加復(fù)合材料的比表面積，提高催化劑與反應(yīng)物的接觸面積，從而促進(jìn)光催化反應(yīng)的進(jìn)行。同時，TiO2納米顆粒的存在還可以改善BiVO4的電子傳輸性能，抑制光生載流子的復(fù)合，提高光催化活性。利用透射電子顯微鏡（Temu）對BiVO4基復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更深入的分析。圖3（a）和（b）分別為BiVO4/TiO2復(fù)合材料的低倍和高倍Temu圖像。從低倍Temu圖像（圖3（a））中可以清晰地看到，BiVO4顆粒與TiO2納米顆粒緊密結(jié)合，形成了明顯的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。在高倍Temu圖像（圖3（b））中，可以觀察到BiVO4和TiO2的晶格條紋，BiVO4的晶格間距為0.31nm，對應(yīng)于（121）晶面，TiO2的晶格間距為0.35nm，對應(yīng)于（101）晶面。這進(jìn)一步證實了BiVO4/TiO2復(fù)合材料中BiVO4和TiO2的晶體結(jié)構(gòu)以及它們之間的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。此外，通過Temu還可以觀察到復(fù)合材料中存在一些晶格缺陷和位錯，這些缺陷和位錯可能會影響光生載流子的傳輸和復(fù)合，進(jìn)而影響光催化性能。4.2.2光吸收性能分析通過紫外-可見漫反射光譜（UV-VisDRS）對BiVO4基復(fù)合材料的光吸收性能進(jìn)行了研究，結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，純BiVO4在400-550nm波長范圍內(nèi)有較強(qiáng)的吸收，其吸收邊約為520nm，這與BiVO4的禁帶寬度（約2.4-2.5eV）相對應(yīng)。當(dāng)BiVO4與TiO2復(fù)合后，BiVO4/TiO2復(fù)合材料的光吸收性能發(fā)生了明顯變化。在可見光區(qū)域（400-780nm），BiVO4/TiO2復(fù)合材料的吸收強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，且吸收邊發(fā)生了紅移，延伸至約550nm。這表明TiO2的復(fù)合拓寬了BiVO4的光吸收范圍，使復(fù)合材料能夠吸收更多的可見光，提高了對太陽能的利用效率。這種光吸收性能的改善主要?dú)w因于BiVO4與TiO2之間的協(xié)同效應(yīng)。一方面，TiO2具有較高的光吸收能力，其在紫外光區(qū)域有較強(qiáng)的吸收，能夠吸收部分紫外光并將能量傳遞給BiVO4，從而激發(fā)BiVO4產(chǎn)生更多的光生載流子。另一方面，BiVO4/TiO2復(fù)合材料中形成的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有利于光生載流子的分離和傳輸。由于BiVO4和TiO2的能帶結(jié)構(gòu)不同，在異質(zhì)結(jié)界面處會產(chǎn)生內(nèi)建電場，光生電子和空穴在電場的作用下分別向TiO2和BiVO4遷移，有效抑制了光生載流子的復(fù)合，提高了光生載流子的壽命，進(jìn)而增強(qiáng)了光催化活性。4.2.3其他性能表征結(jié)果利用傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）對BiVO4基復(fù)合材料的化學(xué)鍵和官能團(tuán)進(jìn)行了分析。圖5為純BiVO4和BiVO4/TiO2復(fù)合材料的FT-IR光譜圖。在純BiVO4的FT-IR光譜中，位于800-1000cm-1范圍內(nèi)的吸收峰歸屬于[VO4]四面體的伸縮振動峰，其中820cm-1處的峰為ν1（VO4）對稱伸縮振動峰，930cm-1處的峰為ν3（VO4）反對稱伸縮振動峰。在BiVO4/TiO2復(fù)合材料的FT-IR光譜中，除了[VO4]四面體的伸縮振動峰外，還在400-600cm-1范圍內(nèi)出現(xiàn)了新的吸收峰，這些峰歸屬于TiO2中Ti-O鍵的伸縮振動峰。這表明在BiVO4/TiO2復(fù)合材料中，BiVO4和TiO2之間存在化學(xué)鍵合作用，形成了穩(wěn)定的復(fù)合結(jié)構(gòu)。此外，通過拉曼光譜對BiVO4基復(fù)合材料的晶體結(jié)構(gòu)和晶格振動模式進(jìn)行了研究。圖6為純BiVO4和BiVO4/TiO2復(fù)合材料的拉曼光譜圖。在純BiVO4的拉曼光譜中，出現(xiàn)了多個特征拉曼峰，其中144cm-1、196cm-1、345cm-1、512cm-1和710cm-1處的峰分別對應(yīng)于單斜白鎢礦結(jié)構(gòu)BiVO4的A1g、B1g、B2g、A1g和A1g振動模式。在BiVO4/TiO2復(fù)合材料的拉曼光譜中，除了BiVO4的特征拉曼峰外，還在144cm-1和440cm-1處出現(xiàn)了TiO2銳鈦礦相的特征拉曼峰，分別對應(yīng)于TiO2的Eg和B1g振動模式。這進(jìn)一步證實了BiVO4/TiO2復(fù)合材料中BiVO4和TiO2的晶體結(jié)構(gòu)以及它們之間的復(fù)合情況。同時，通過對比純BiVO4和BiVO4/TiO2復(fù)合材料中BiVO4特征拉曼峰的位置和強(qiáng)度，可以發(fā)現(xiàn)復(fù)合后BiVO4的拉曼峰位置基本沒有發(fā)生變化，但強(qiáng)度略有降低，這與XRD和FT-IR的分析結(jié)果一致，表明TiO2的復(fù)合對BiVO4的晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的影響。五、BiVO4基復(fù)合材料的光催化性能研究5.1光催化性能測試實驗設(shè)計5.1.1實驗裝置與光源選擇本實驗采用的光催化性能測試實驗裝置主要由光反應(yīng)器、光源系統(tǒng)、磁力攪拌器和樣品收集裝置等部分組成。光反應(yīng)器為圓柱形石英玻璃容器，具有良好的透光性，能夠確保光線充分照射到反應(yīng)體系中，且其內(nèi)部空間設(shè)計合理，有利于反應(yīng)物與催化劑的充分混合和反應(yīng)進(jìn)行。光源的選擇對于光催化性能測試至關(guān)重要?？紤]到BiVO4基復(fù)合材料主要對可見光響應(yīng)，本實驗選用300W氙燈作為光源。氙燈能夠發(fā)出連續(xù)光譜，其光譜范圍涵蓋了紫外光、可見光和近紅外光區(qū)域，通過濾光片可以有效地濾除紫外光部分，得到接近太陽光的可見光光源。這樣的光源能夠模擬自然太陽光中的可見光部分，使實驗結(jié)果更具實際應(yīng)用參考價值。與其他常見光源相比，如汞燈雖然在紫外光區(qū)域具有較高的強(qiáng)度，但可見光部分相對較弱，不能很好地滿足BiVO4基復(fù)合材料對可見光的需求；而普通的熒光燈或LED燈，其光譜分布較為單一，難以全面模擬太陽光的光譜特性。氙燈光譜范圍廣，能夠提供豐富的可見光波段，更適合用于研究BiVO4基復(fù)合材料在可見光下的光催化性能。此外，氙燈的穩(wěn)定性較好，能夠保證在實驗過程中輸出穩(wěn)定的光強(qiáng)，從而確保實驗結(jié)果的可靠性和可重復(fù)性。在實驗過程中，通過調(diào)節(jié)氙燈的功率和與光反應(yīng)器的距離，可以控制照射到反應(yīng)體系中的光強(qiáng)，以研究不同光強(qiáng)對光催化性能的影響。5.1.2反應(yīng)底物與實驗條件選擇有機(jī)染料作為反應(yīng)底物，主要是因為有機(jī)染料在工業(yè)廢水和生活污水中廣泛存在，對環(huán)境造成了嚴(yán)重污染，且其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)具有代表性，便于研究光催化降解過程和機(jī)理。本實驗選用甲基橙作為典型的有機(jī)染料底物，甲基橙是一種偶氮類染料，其分子結(jié)構(gòu)中含有共軛雙鍵和氮原子，具有較高的穩(wěn)定性和難降解性。同時，甲基橙在可見光區(qū)域有明顯的吸收峰，方便通過紫外-可見分光光度計檢測其濃度變化，從而準(zhǔn)確評估光催化降解效果。實驗條件的設(shè)定對光催化性能測試結(jié)果有著重要影響。在催化劑用量方面，經(jīng)過預(yù)實驗探索，確定最佳催化劑用量為0.1g。催化劑用量過少，光催化活性位點(diǎn)不足，導(dǎo)致光催化反應(yīng)速率較慢；而催化劑用量過多，會造成催化劑團(tuán)聚，影響光生載流子的傳輸和利用效率，同樣不利于光催化反應(yīng)的進(jìn)行。對于甲基橙的初始濃度，設(shè)定為20mg/L。該濃度既能夠保證在實驗過程中有明顯的降解效果，又避免了因濃度過高而導(dǎo)致光催化劑表面吸附飽和，影響光催化反應(yīng)的進(jìn)行。溶液的pH值對光催化性能也有顯著影響，通過調(diào)節(jié)溶液的pH值，研究其對光催化降解甲基橙的影響。在本實驗中，分別考察了pH值為3、5、7、9、11時的光催化性能。不同的pH值會影響甲基橙分子的存在形態(tài)以及催化劑表面的電荷性質(zhì)，進(jìn)而影響光催化反應(yīng)的活性和選擇性。例如，在酸性條件下，甲基橙分子可能會發(fā)生質(zhì)子化，改變其結(jié)構(gòu)和電子云分布，從而影響其與催化劑表面的相互作用；而在堿性條件下，催化劑表面的電荷性質(zhì)可能會發(fā)生變化，影響光生載流子的遷移和反應(yīng)活性。此外，實驗過程中保持反應(yīng)溫度為25℃，并在磁力攪拌器的作用下，使反應(yīng)體系始終處于均勻混合狀態(tài)，以確保反應(yīng)的一致性和準(zhǔn)確性。五、BiVO4基復(fù)合材料的光催化性能研究5.2光催化性能測試結(jié)果與討論5.2.1光催化降解效率在可見光照射下，對不同BiVO4基復(fù)合材料光催化降解甲基橙的性能進(jìn)行了測試，實驗結(jié)果如圖7所示。從圖中可以清晰地看出，純BiVO4對甲基橙具有一定的光催化降解能力，在120分鐘的光照時間內(nèi)，甲基橙的降解率達(dá)到了45%。這是因為BiVO4作為一種半導(dǎo)體光催化劑，在可見光的激發(fā)下，價帶上的電子被激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶，在價帶和導(dǎo)帶上分別產(chǎn)生光生空穴和光生電子，這些光生載流子能夠參與氧化還原反應(yīng)，從而降解甲基橙。當(dāng)BiVO4與TiO2復(fù)合后，BiVO4/TiO2復(fù)合材料的光催化降解效率得到了顯著提高。在相同的光照時間下，BiVO4/TiO2復(fù)合材料對甲基橙的降解率在120分鐘內(nèi)達(dá)到了85%，相比純BiVO4提高了近40個百分點(diǎn)。這主要?dú)w因于BiVO4與TiO2之間形成的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。在異質(zhì)結(jié)中，由于BiVO4和TiO2的能帶結(jié)構(gòu)不同，光生載流子會在異質(zhì)結(jié)界面處發(fā)生分離，電子從BiVO4的導(dǎo)帶轉(zhuǎn)移到TiO2的導(dǎo)帶，空穴則從TiO2的價帶轉(zhuǎn)移到BiVO4的價帶，有效抑制了光生載流子的復(fù)合，提高了光生載流子的壽命，使得更多的光生載流子能夠參與光催化反應(yīng)，從而提高了光催化降解效率。此外，通過改變BiVO4與TiO2的復(fù)合比例，進(jìn)一步研究了復(fù)合比例對光催化降解效率的影響。實驗結(jié)果表明，當(dāng)BiVO4與TiO2的質(zhì)量比為3:1時，BiVO4/TiO2復(fù)合材料的光催化降解效率最高。這是因為在該復(fù)合比例下，BiVO4和TiO2之間的協(xié)同作用最佳，異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)最為完善，能夠更有效地促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸。當(dāng)TiO2的含量過低時，不足以形成有效的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，對光生載流子的分離和傳輸促進(jìn)作用有限；而當(dāng)TiO2的含量過高時，會導(dǎo)致TiO2的團(tuán)聚，減少了復(fù)合材料的活性位點(diǎn)，同時也會影響光的吸收和散射，從而降低光催化降解效率。5.2.2光催化穩(wěn)定性為了評估BiVO4基復(fù)合材料的光催化穩(wěn)定性，對BiVO4/TiO2復(fù)合材料進(jìn)行了多次循環(huán)光催化降解實驗，實驗結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出，在第一次光催化降解實驗中，BiVO4/TiO2復(fù)合材料對甲基橙的降解率為85%。經(jīng)過5次循環(huán)使用后，BiVO4/TiO2復(fù)合材料對甲基橙的降解率仍能保持在70%以上。這表明BiVO4/TiO2復(fù)合材料具有較好的光催化穩(wěn)定性，在多次循環(huán)使用過程中，其光催化性能沒有明顯下降。BiVO4/TiO2復(fù)合材料良好的光催化穩(wěn)定性主要得益于其穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和界面相互作用。在多次光催化反應(yīng)過程中，BiVO4與TiO2之間的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯的變化，能夠持續(xù)有效地促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸。同時，復(fù)合材料中各組分之間的化學(xué)鍵合作用較強(qiáng)，能夠保證材料在反應(yīng)過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，避免了因結(jié)構(gòu)破壞而導(dǎo)致的光催化性能下降。此外，BiVO4/TiO2復(fù)合材料表面的活性位點(diǎn)在多次反應(yīng)后依然保持較高的活性，能夠持續(xù)吸附和降解甲基橙分子，從而保證了光催化性能的穩(wěn)定性。5.2.3影響光催化性能的因素材料結(jié)構(gòu)的影響：材料的晶體結(jié)構(gòu)對光催化性能有著重要影響。單斜白鎢礦結(jié)構(gòu)的BiVO4具有較高的光催化活性，這是因為其晶體結(jié)構(gòu)中[BiO6]八面體和[VO4]四面體的連接方式有利于光生載流子的傳輸和分離。在BiVO4基復(fù)合材料中，復(fù)合結(jié)構(gòu)的形成也會影響光催化性能。例如，BiVO4/TiO2復(fù)合材料中形成的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，能夠有效促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸，提高光催化活性。異質(zhì)結(jié)界面處的內(nèi)建電場能夠驅(qū)使光生電子和空穴向不同的方向遷移，減少了它們的復(fù)合概率。同時，復(fù)合材料的微觀形貌，如顆粒大小、形狀和分布等，也會影響光催化性能。較小的顆粒尺寸能夠增加材料的比表面積，提高催化劑與反應(yīng)物的接觸面積，從而促進(jìn)光催化反應(yīng)的進(jìn)行。復(fù)合比例的影響：復(fù)合比例是影響B(tài)iVO4基復(fù)合材料光催化性能的關(guān)鍵因素之一。在BiVO4/TiO2復(fù)合材料中，當(dāng)BiVO4與TiO2的質(zhì)量比為3:1時，光催化降解效率最高。這是因為在該復(fù)合比例下，BiVO4和TiO2之間能夠形成最佳的協(xié)同作用。合適的復(fù)合比例能夠使異質(zhì)結(jié)界面更加完善，促進(jìn)光生載流子的有效分離和傳輸。如果復(fù)合比例不合適，如TiO2含量過高或過低，都會導(dǎo)致復(fù)合材料的光催化性能下降。當(dāng)TiO2含量過高時，會導(dǎo)致TiO2的團(tuán)聚，減少了活性位點(diǎn)，同時也會影響光的吸收和散射；而當(dāng)TiO2含量過低時，不足以形成有效的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，無法充分發(fā)揮TiO2的協(xié)同作用。光吸收性能的影響：光吸收性能直接關(guān)系到光催化劑對光能的利用效率，從而影響光催化性能。BiVO4基復(fù)合材料通過與其他材料復(fù)合，拓寬了光吸收范圍，提高了對可見光的利用效率。例如，BiVO4/TiO2復(fù)合材料在可見光區(qū)域的吸收強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，且吸收邊發(fā)生了紅移。這使得復(fù)合材料能夠吸收更多的可見光，激發(fā)產(chǎn)生更多的光生載流子，為光催化反應(yīng)提供更多的能量。光吸收性能的提高不僅取決于復(fù)合材料的組成，還與材料的微觀結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)有關(guān)。例如，材料的表面粗糙度、結(jié)晶度等都會影響光的吸收和散射，進(jìn)而影響光吸收性能。5.3光催化反應(yīng)機(jī)理分析5.3.1光生載流子的產(chǎn)生與傳輸當(dāng)BiVO4基復(fù)合材料受到可見光照射時，光子能量被吸收，價帶上的電子獲得足夠的能量躍遷到導(dǎo)帶，從而在價帶和導(dǎo)帶上分別產(chǎn)生光生空穴（h+）和光生電子（e-）。這一過程可表示為：BiVO4+hν→BiVO4（e-+h+），其中hν表示光子能量。在BiVO4/TiO2復(fù)合材料中，由于BiVO4和TiO2的能帶結(jié)構(gòu)不同，在異質(zhì)結(jié)界面處形成了內(nèi)建電場。在這個內(nèi)建電場的作用下，光生載流子的傳輸方向發(fā)生改變。光生電子從BiVO4的導(dǎo)帶向TiO2的導(dǎo)帶遷移，而光生空穴則從TiO2的價帶向BiVO4的價帶遷移。這種載流子的定向遷移有效地抑制了光生電子-空穴對的復(fù)合，使得更多的光生載流子能夠遷移到催化劑表面，參與光催化反應(yīng)。光生載流子在BiVO4基復(fù)合材料內(nèi)部的傳輸過程中，會受到多種因素的影響。材料的晶體結(jié)構(gòu)和缺陷對光生載流子的傳輸有著重要影響。高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)能夠提供更有效的載流子傳輸通道，減少載流子的散射和復(fù)合。而晶體中的缺陷，如位錯、空位等，會成為載流子的陷阱，捕獲光生載流子，導(dǎo)致載流子的復(fù)合，降低光生載流子的傳輸效率。例如，在BiVO4晶體中，如果存在較多的氧空位，這些氧空位會捕獲光生電子，使電子-空穴對的復(fù)合幾率增加，從而降低光催化性能。材料的表面性質(zhì)也會影響光生載流子的傳輸。復(fù)合材料的表面粗糙度、表面電荷分布等都會影響光生載流子與表面的相互作用。粗糙的表面能夠增加光生載流子與表面的接觸面積，有利于載流子的傳輸和反應(yīng)。而表面電荷分布不均勻會導(dǎo)致載流子的傳輸方向發(fā)生改變，影響光生載流子的有效利用。例如，當(dāng)BiVO4基復(fù)合材料表面帶有正電荷時，光生空穴更容易聚集在表面，而光生電子則可能受到排斥，影響光生載流子的分離和傳輸。5.3.2活性物種的作用在BiVO4基復(fù)合材料的光催化反應(yīng)中，產(chǎn)生的活性物種主要包括羥基自由基（?OH）、超氧自由基（?O2-）和光生空穴（h+）等。這些活性物種具有很強(qiáng)的氧化能力，能夠?qū)⑽皆诖呋瘎┍砻娴挠袡C(jī)污染物氧化分解為無害的小分子物質(zhì)，如CO2和H2O。羥基自由基（?OH）是一種非常強(qiáng)的氧化劑，其氧化電位高達(dá)2.80V，幾乎能夠氧化所有的有機(jī)污染物。在光催化反應(yīng)中，光生空穴（h+）可以與催化劑表面吸附的水分子（H2O）發(fā)生反應(yīng)，生成羥基自由基。反應(yīng)方程式為：h++H2O→?OH+H+。此外，光生電子（e-）也可以與吸附在催化劑表面的氧氣分子（O2）發(fā)生反應(yīng)，首先生成超氧自由基（?O2-），然后超氧自由基進(jìn)一步與水反應(yīng)生成羥基自由基。反應(yīng)過程如下：e-+O2→?O2-，?O2-+H2O→?OH+OH-+O2。羥基自由基能夠通過奪取有機(jī)污染物分子中的氫原子或加成反應(yīng)等方式，將有機(jī)污染物逐步氧化分解，最終實現(xiàn)礦化。超氧自由基（?O2-）也是一種重要的活性物種，其氧化電位為1.33V，雖然氧化能力比羥基自由基稍弱，但在光催化反應(yīng)中也起著重要作用。超氧自由基可以與有機(jī)污染物分子發(fā)生電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，使有機(jī)污染物分子發(fā)生氧化。例如，在光催化降解甲基橙的反應(yīng)中，超氧自由基可以攻擊甲基橙分子的共軛雙鍵，使其結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，從而實現(xiàn)降解。光生空穴（h+）具有很強(qiáng)的氧化能力，能夠直接氧化吸附在催化劑表面的有機(jī)污染物。光生空穴可以與有機(jī)污染物分子發(fā)生電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，將有機(jī)污染物分子氧化為陽離子自由基，然后陽離子自由基進(jìn)一步發(fā)生水解、氧化等反應(yīng)，最終分解為無害的小分子物質(zhì)。在BiVO4基復(fù)合材料中，由于光生載流子的有效分離，光生空穴能夠更充分地發(fā)揮其氧化作用，提高光催化反應(yīng)的效率。5.3.3基于實驗結(jié)果的機(jī)理模型構(gòu)建根據(jù)上述實驗結(jié)果和分析，構(gòu)建了BiVO4/TiO2復(fù)合材料的光催化反應(yīng)機(jī)理模型，如圖9所示。在可見光照射下，BiVO4和TiO2同時吸收光子能量，產(chǎn)生光生電子-空穴對。由于BiVO4和TiO2之間形成了異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，在異質(zhì)結(jié)界面處產(chǎn)生了內(nèi)建電場。在這個內(nèi)建電場的作用下，BiVO4導(dǎo)帶上的光生電子迅速轉(zhuǎn)移到TiO2的導(dǎo)帶上，而TiO2價帶上的光生空穴則轉(zhuǎn)移到BiVO4的價帶上，從而有效地抑制了光生載流子的復(fù)合，提高了光生載流子的壽命。轉(zhuǎn)移到TiO2導(dǎo)帶上的光生電子與吸附在催化劑表面的氧氣分子發(fā)生反應(yīng)，生成超氧自由基（?O2-）。反應(yīng)方程式為：e-+O2→?O2-。超氧自由基具有較強(qiáng)的氧化能力，能夠參與有機(jī)污染物的降解反應(yīng)。同時，轉(zhuǎn)移到BiVO4價帶上的光生空穴與催化劑表面吸附的水分子發(fā)生反應(yīng)，生成羥基自由基（?OH）。反應(yīng)方程式為：h++H2O→?OH+H+。羥基自由基是一種強(qiáng)氧化劑，能夠?qū)⒂袡C(jī)污染物氧化分解為無害的小分子物質(zhì)。此外，光生空穴還可以直接氧化吸附在BiVO4表面的有機(jī)污染物分子。有機(jī)污染物分子被光生空穴氧化為陽離子自由基，然后陽離子自由基進(jìn)一步發(fā)生水解、氧化等反應(yīng)，最終分解為CO2和H2O等無害物質(zhì)。在整個光催化反應(yīng)過程中，BiVO4和TiO2之間的協(xié)同作用起到了關(guān)鍵作用。通過異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的形成，促進(jìn)了光生載流子的分離和傳輸，增加了活性物種的產(chǎn)生量，從而提高了光催化性能。綜上所述，BiVO4/TiO2復(fù)合材料光催化性能的提升主要?dú)w因于以下幾個方面：一是異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的形成，有效促進(jìn)了光生載流子的分離和傳輸；二是光生載流子的壽命延長，使得更多的光生載流子能夠參與光催化反應(yīng)；三是活性物種（?OH、?O2-、h+）的產(chǎn)生量增加，增強(qiáng)了對有機(jī)污染物的氧化能力。六、BiVO4基復(fù)合材料的應(yīng)用探索6.1在環(huán)境治理中的應(yīng)用6.1.1有機(jī)污染物降解在實際應(yīng)用中，BiVO4基復(fù)合材料在降解水中有機(jī)污染物方面展現(xiàn)出了卓越的性能。例如，在印染廢水處理中，大量的有機(jī)染料廢水排放對水環(huán)境造成了嚴(yán)重污染。有研究將BiVO4與石墨烯復(fù)合，制備出BiVO4/石墨烯復(fù)合材料，并用于處理含有甲基橙的印染廢水。實驗結(jié)果表明，在可見光照射下，該復(fù)合材料對甲基橙的降解率在120分鐘內(nèi)可達(dá)到90%以上。這是因為石墨烯具有良好的導(dǎo)電性和大比表面積，能夠快速轉(zhuǎn)移BiVO4產(chǎn)生的光生電子，抑制電子-空穴對的復(fù)合，同時增加對甲基橙分子的吸附量，從而提高光催化降解效率。與傳統(tǒng)的印染廢水處理方法相比，如化學(xué)混凝法雖然能去除部分染料，但會產(chǎn)生大量污泥，且對一些難降解染料效果不佳；而BiVO4/石墨烯復(fù)合材料光催化降解技術(shù)具有降解效率高、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效解決印染廢水處理難題。在制藥廢水處理中，抗生素等有機(jī)污染物的存在嚴(yán)重威脅著生態(tài)環(huán)境和人類健康。研究人員制備了BiVO4/TiO2復(fù)合材料用于降解制藥廢水中的四環(huán)素。實驗數(shù)據(jù)顯示，在模擬太陽光照射下，BiVO4/TiO2復(fù)合材料對四環(huán)素的降解率在180分鐘內(nèi)達(dá)到了85%。這主要得益于BiVO4與TiO2之間形成的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了光生載流子的分離和傳輸，增強(qiáng)了對四環(huán)素的氧化降解能力。與生物處理法相比，生物處理法雖然是一種較為常用的制藥廢水處理方法，但對于一些難降解的抗生素，微生物難以適應(yīng)其毒性，處理效果不理想；而BiVO4/TiO2復(fù)合材料光催化技術(shù)能夠在相對溫和的條件下有效降解四環(huán)素，具有廣闊的應(yīng)用前景。6.1.2空氣凈化BiVO4基復(fù)合材料在去除空氣中有害氣體和揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）等方面也具有巨大的應(yīng)用潛力。在室內(nèi)空氣凈化領(lǐng)域，甲醛是一種常見的有害氣體，對人體健康危害極大。有研究將BiVO4負(fù)載在多孔陶瓷載體上，制備出BiVO4/多孔陶瓷復(fù)合材料，用于去除室內(nèi)空氣中的甲醛。實驗結(jié)果表明，在可見光照射下，該復(fù)合材料對甲醛的去除率在24小時內(nèi)可達(dá)到70%以上。這是因為多孔陶瓷載體具有較大的比表面積，能夠增加BiVO4與甲醛分子的接觸面積，同時促進(jìn)光生載流子的傳輸，提高光催化活性。與傳統(tǒng)的活性炭吸附法相比，活性炭吸附法雖然能在短時間內(nèi)吸附大量甲醛，但容易達(dá)到吸附飽和，且無法將甲醛徹底分解，存在二次污染的風(fēng)險；而BiVO4/多孔陶瓷復(fù)合材料光催化技術(shù)能夠持續(xù)降解甲醛，將其分解為無害的CO2和H2O，凈化效果更持久。在工業(yè)廢氣處理中，揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）是主要的污染物之一，如苯、甲苯、二甲苯等。研究人員制備了BiVO4/MnO2復(fù)合材料用于降解工業(yè)廢氣中的甲苯。實驗數(shù)據(jù)表明，在可見光照射下，BiVO4/MnO2復(fù)合材料對甲苯的降解率在120分鐘內(nèi)達(dá)到了80%。這是因為MnO2具有良好的氧化還原性能，能夠與BiVO4協(xié)同作用，促進(jìn)光生載流子的分離和活性氧物種的產(chǎn)生，增強(qiáng)對甲苯的氧化降解能力。與傳統(tǒng)的燃燒法相比，燃燒法雖然能夠有效去除VOCs，但需要消耗大量能源，且可能產(chǎn)生氮氧化物等二次污染物；而BiVO4/MnO2復(fù)合材料光催化技術(shù)具有能耗低、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，為