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半导体光催化技术已经引起了很大的关注[1-3]，尤其是卤化氧铋因其独特的性质，在污水处理、分解水、太阳能用于二氧化碳转化等领域得到了广泛的应用[4–6]。卤化氧铋的特点是[Bi2O2]2+层与2个卤素原子层通过静电作用交错形成，这种特殊的层状结构有利于光生电子空穴对的分离，从而在光催化过程中表现出良好的光催化性能[7-8]。同时，它们的性能还受其形状、尺寸、物相和暴露的晶面等因素的影响。例如，Contreras等制备了(110)和(001)晶面择优生长的碘化氧铋，显示出对环己醇有更高的选择性，环己醇的产率和峰强度(110)/(001)的比值之间具有线性依赖关系[9]。Liu等在生物质溶剂CMC-Na的辅助下合成了(010)晶面择优生长的2D纳米片组装成的3D BiOX，其对盐酸四环素的光催化活性高于(001)晶面择优生长的2D纳米片组装成的BiOX[10]。Aleksandra等采用溶剂热法在甘油中制备了BiOX半导体，这种方法可以影响BiOX的形貌、表面性质和光催化活性，系统的研究了不同离子作为卤素源和模板合成的BiOX的光催化活性[11]。Zhao等通过醋酸辅助水解获得了具有高效可见光催化活性的三维玫瑰状BiOBrxI1-x光催化剂，结果表明BET比表面积越大，3D玫瑰状形貌良好和(110)晶面择优生长对BiOBr0.8I0.2降解双酚A、罗丹明B和甲基橙有积极影响[12]。Mi等通过简单的一步水解法合成了带状分级结构的Bi4O5Br2，可见光照射下，(010)晶面高度暴露的带状Bi4O5Br2在降解水杨酸和间二苯酚方面比(101)晶面高度暴露的片状Bi4O5Br2表现出更高的光催化活性[13]。因此，对光催化剂的形貌、物相和暴露的晶面进行调控是非常重要的。
与BiOX相比，具有不同化学计量比的卤化氧铋，如Bi5O7I[14]、Bi24O31Br10[15]、Bi4O5Br2[16]和Bi12O17Cl2[17]等材料在光催化领域得到了广泛的研究。为了充分利用太阳能，有必要探索具有较高可见光吸收效率和光诱导电荷分离能力的光催化材料。在这一系列材料中，黄色的Bi12O17Cl2在降解污染物和去除NO方面表现出优异的可见光光催化活性[18–21]。Du等在不同的表面活性剂的条件下，通过简单的水热法成功合成了沿[200]方向择优生长的Bi12O17Cl2纳米片，它在光降解RhB和2-氯苯酚方面表现出比其他样品优越的光催化性能[22]。Xia等得到了Bi12O17Cl2超细纳米管，外层的管壁通过结构畸变产生表面氧缺陷，从而加速载流子迁移和促进CO2活化，其选择性催化CO转化效率是块状Bi12O17Cl2的16.8倍，即使在试验12 h后仍保持很好的稳定性[23]。Chang等在不同的煅烧温度下制备了一系列富氧Bi12O17Cl2样品，结果表明煅烧温度会极大的影响样品的微观结构和能带结构，进而影响对RhB的声催化降解效率[24]。因此，半导体的形貌和特殊结构是影响其光催化活性的重要因素。
本项工作中，通过简单的溶液法，在70 oC条件下合成了纳米片组装成的Bi12O17Cl2微米花。乙二醇在成功制备沿着[200]方向择优生长的Bi12O17Cl2过程中发挥了关键作用。与没有择优取向的Bi12O17Cl2纳米片相比，具有择优取向的Bi12O17Cl2纳米片对罗丹明B和亚甲基蓝的降解表现出优越的可见光催化活性，结果显示样品的形貌和暴露的晶面对其性能影响很大。通过捕获实验发现˙O2–和h+在光催化降解有机污染物过程中起主导作用。
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实验中所用的化学试剂均为分析纯，没有经过进一步处理。通过简单的溶液法合成了Bi12O17Cl2微米花。合成过程如下，首先将10 mL 1.0 mol·L–1的Bi(NO3)3溶液放入三颈烧瓶中，并在70℃下搅拌3 min。然后，向反应瓶中加入15 mL的乙二醇溶液，得到透明溶液。3 min后，将50 mL 0.2 mol·L–1的NaCl溶液倒入反应瓶中。间隔30 min后，将20 mL NaOH溶液（2.5 g）缓慢加入上述溶液中，不断搅拌，将上述悬浮液的pH值调节至13。继续反应60 min后，真空过滤收集固体产物，用去离子水和乙醇洗涤数次，在60℃的烘箱中干燥数小时，得到最终的Bi12O17Cl2样品。产物最终理论产量为2.38 g，实际得到的样品重量为2.25 g，收率为94.54%。
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样品的结构和物相分析采用荷兰PANalytical公司X'Pert PRO MRD型X-射线衍射仪（Cu Kα 辐射，波长为0.154056 nm）。形貌分析采用日本的Hitachi S–4800扫描电子显微镜，透射电子显微镜和高分辨透射电子显微测试型号为JEOLJEM-2011F。X射线光电子能谱（XPS）测试型号为Shimadzu Kratos AXIS SUPRA。紫外–可见漫反射光谱采用（UV–vis DRS）采用Shimadzu UV–2600型双束紫外可见分光光度计，以BaSO4白板为参照物，测试样品在200–800 nm的吸光度值。
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采用350W氙灯作为光源（λ>420 nm），在中性条件下（pH=7），研究Bi12O17Cl2样品降解罗丹明B（RhB）和亚甲基蓝（MB）的效果来评价其光催化活性。光降解过程如下：将10 mg催化剂超声分散于50 mL，浓度为10 mg·L−1的RhB溶液中。光照前，将悬浮液置于暗室中搅拌1 h以达到吸附–解吸平衡。每隔一定时间取3 mL悬浮液离心，去除粉末。用紫外可见分光光度计测定上清液的吸光度值。根据RhB和MB最大吸收波长分别为554 nm和665 nm处的吸光度值的变化与原液的吸光度值的比率计算出RhB和MB 降解率。
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XRD和SEM测试用来表征样品的结晶度、相纯度和形貌。选择5个不同体积的乙二醇制备的样品（0、10、15、20 、25 mL）进行研究，为了更好的区分，分别定为样品S1–S5，XRD结果如图1f所示。没有加乙二醇的样品S1，所有的衍射峰都对应着四方相的a-Bi2O3（JCPDS No. 71-2274），未检测到其他物质的峰。乙二醇的添加量为10–25 mL对应的样品S2–S5，所有衍射峰可归属于四方相的Bi12O17Cl2晶体（JCPDS No. 37-0702），表明乙二醇的添加得到高纯度的Bi12O17Cl2。与样品S4和S5相比，样品S2和S3的(200)/(004)晶面衍射强度比值更高，表明Bi12O17Cl2沿着[200]方向择优生长[25-26]。图1b–c对应的样品S2和S3是由小纳米片为基本单元组装成的花状结构。
Bi12O17Cl2微米花尺寸约为5 µm，其表面的纳米片长度约2 µm，宽度约为100 nm。从图1d可以看出，样品S4表面有大的纳米片组装成的微米花，也有小的纳米片组装成的微米花，而图1e中样品S5的表面基本都是大的纳米片组装成的微米花。样品S5表面的纳米片长度约为4 µm ，宽度约为200–300 nm。SEM图片结合XRD实验结果可以确认Bi12O17Cl2晶体表面小的纳米片和大的纳米片分别对应于择优生长的Bi12O17Cl2晶体和没有择优生长的Bi12O17Cl2晶体。
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样品S3和S5的化学成分和表面价态可以通过图2中的XPS光谱进行分析。
从图2a可知，两个Bi12O17Cl2样品均由Bi、O和Cl的3种元素组成。在Bi 4f的XPS能谱图中（图2b），158.8 eV和164.1 eV处的两个强峰分别对应于Bi 4f7/2和Bi 4f5/2两个轨道上的电子，表明材料中Bi元素主要以Bi3+的价态存在[27]。图谱中样品S3的峰相比样品S5往更低的结合能方向移动，表明样品S3中的Bi3+比样品S5中的Bi3+具有更低的荷电状态[28]。图2c为样品S3和S5的O 1s能谱图，它的峰分裂为两个峰，表明O原子周围存在着两种不同的化学环境。529.6 eV处的峰对应于[Bi2O2]2+层中的Bi–O–Bi键，530.9 eV处的峰可归属于Bi–OH键[29]。与样品S5相比，样品S3在531.2 eV处的O 1s峰发生轻微红移并且峰强度增强，表明样品S3表面有更多的OH基团。根据文献报道，Bi12O17Cl2样品表面有丰富的OH基团和较低Bi荷电状态会具有良好的光催化活性[30]。图2d中197.7 eV和199.3 eV处的两个强峰分别对应于Cl 2p3/2和Cl 2p1/2两个轨道上的电子[31-32]。
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图3为TEM和HRTEM表征样品S3和S5的形貌及结构。图3a和图3c是样品S3和S5的TEM图，显示出纳米尺寸厚度的片状形貌，样品S3由许多小纳米片组成，样品S5的纳米片较大，这与SEM结果一致（图1c和图1e）。图3b为样品S3的HRTEM图像，测量其晶格间距为0.27 nm，这与Bi12O17Cl2晶体的（200）晶面相对应。图3d是样品S5的HRTEM图像，图中标注出来的晶面间距0.305 nm与Bi12O17Cl2的（117）面非常匹配。从透射图片结果结合前面的XRD谱图可知，不同量的乙二醇加入会诱导Bi12O17Cl2暴露出不同的晶面，这可能是由于乙二醇的加入会和Bi3+配位，影响最终的晶体结构，这与XRD表征的结果一致。
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合成过程中，反应初期形成BiOCl白色沉淀，NaOH溶液的加入会使BiOCl中的Cl原子部分被O原子取代，生成贫Cl的Bi12O17Cl2。因此，NaOH溶液的量会对样品的组成和结构产生影响。图4给出了NaOH的量分别2.3 、2.4 、2.6 g制备的样品的SEM图和XRD结果，其他实验条件与样品S3保持相同。从图4a–c的SEM图可以清楚看到，3个样品均呈现纳米片组装成的微米花，纳米片的宽度为50–200 nm。当NaOH加入量为2.3 g时（图4a），所得的微米花团聚严重。这主要是由于NaOH用量较低时，反应速度较慢，导致纳米片没有完全生长，微米花的尺寸可达30—50 µm。当NaOH的用量增加到2.4 g和2.6 g时，得到较规则的纳米片组装成的微米花，尺寸约为5–10 µm、表面的纳米片长度约2 µm，宽度为100–200 nm。图4d为3个样品的XRD图谱，结果显示均为Bi12O17Cl2晶体。从上述结果可知，适量的NaOH均可以制备出纳米片组装的Bi12O17Cl2微米花。后续的实验选择2.5 g的NaOH作为反应参数。
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图5给出了不同温度下制备的样品的SEM图和XRD结果。从图5d样品的XRD谱图中可以看到，60℃和80℃条件下制备的样品，所有衍射峰都对应着Bi12O17Cl2的衍射峰。在50℃下制备的样品，XRD谱图中除了Bi12O17Cl2的衍射峰外，还出现了BiOCl的衍射峰，图中BiOCl的衍射峰用星号进行了标记。图5a为50℃下制备的样品的SEM图，显示出纳米片组装的微米花形态，由于Bi12O17Cl2是由BiOCl转化而来，结合XRD谱图结果来看，很难区分Bi12O17Cl2和BiOCl的花状结构。在60℃和80℃下制备的样品，其形貌相差不大（图5b和图5c），均为纳米片组装成的微米花，花的尺寸约为2 µm、表面纳米片的宽度为100–200 nm。实验结果表明，在温度范围为60—80 oC下，均可获得由纳米片组装的Bi12O17Cl2微米花，而温度较低将不利于BiOCl向Bi12O17Cl2的转化。
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图6为样品S3和S5的紫外–可见漫反射光谱。从图6a中的谱图可以看出，样品S3从紫外区到可见光区域均有光响应特性，其吸收带边缘在570 nm处。与样品S3相比，S5的光吸收在200–430 nm的范围内。显然，光吸收性能对光催化性能有很大的影响。样品的带隙能（Eg）可以通过如下的经验公式来计算[22]:
其中，a为吸收系数，K是常数，hv是光能。n取决于半导体类型（n=1表示直接半导体，n=4表示间接半导体）。对于Bi12O17Cl2，n的值为1[33]。根据该方程，可以由(αhν)2对hv作图，最陡处的斜率外推截距为样品的能带间隙，如图6b所示。根据谱图得到样品S3和S5的Eg分别为2.18 ev和2.91 ev，其相应的价带（VB）和导带（CB）可通过以下方程式计算[34]：
样品的比表面积（BET）通过N2吸附–脱附等温线进行测量，结果如图7所示。其表面积、孔容及孔径数据列如表1中。由图7可知，样品呈现为Ⅳ型吸附等温线，在压力较小时，N2和样品之间有较强的作用[35]。样品S3和S5的比表面积分别为30.3566 m2·g−1和24.4243 m2·g−1，可以看出S3的比表面积比S5的大，这对光催化性能的提高是非常有利的。
图8为样品S3和S5的荧光光谱图。从图8可以看出，两个样品均在380 nm到550 nm之间有一个宽峰，主要是由于电荷在价带和导带之间跃迁产生的。荧光光谱强度越低意味着电荷分离效率越好[36]，Bi12O17Cl2晶体生长速度过快，产生的表面氧缺陷会影响铋离子在化合物中的价态。图中样品S3的峰值明显低于S5，表明晶体择优生长的方向会影响光生电荷的有效分离。因此，推测后续的光催化降解性能样品S3会比S5好。
图9为不同纳米片组装的样品S3和S5的光催化降解曲线，以RhB和MB为降解对象，初始浓度为10 mg.L–1，体系的pH值为7。光照前在暗室中搅拌60 min进行吸附实验，使光催化剂与有机污染物之间达到吸附–脱附平衡。图9a为样品对RhB随时间的光催化降解曲线图。在无光催化剂的情况下，光照300 min后，RhB几乎没有发生光降解，样品S3和S5的光降解效率分别为77.56%和41.78%。暗室60 min后，样品S3的吸附速率高于S5。图9b为样品对MB随时间的光催化降解曲线图。光照300 min，样品S3和S5的光催化效率分别为44.81%和25.59%。上述实验结果表明，择优生长的样品S3具有较好的催化效果，Bi12O17Cl2光催化效率受组装的纳米片尺寸和晶体生长方向的影响。
将光降解实验数据进行一级动力学方程拟合来研究有机污染物的降解动力学[33]：
其中，k是一级反应速率常数（h−1），C0和C分别表示有机污染物的初始浓度和实时浓度。从图10可以看出，样品的光降解动力学与一级动力学模型可以高度拟合。根据拟合结果，样品S3和S5对RhB的降解速率常数k分别为0.2448 h−1和0.0888 h−1，如图10a的插图所示。样品S3和S5对MB的降解速率常数k分别为0.1026 h−1和0.0553 h−1（如图10b的插图所示）。结果表明，样品S3对RhB和MB降解速率常数k值分别是样品S5的2.76倍和1.86倍。
通常认为光催化过程涉及光生电子–空穴对及活性自由基（·OH，·O2–和 h+），通过捕获实验可以研究RhB的光降解机理，如图11a所示。实验中，异丙醇（IPA, 0.5 mmol·L–1）、抗坏血酸（AA, 0.5 mmol·L–1）和Na2C2O4（0.5 mmol·L–1）的引入分别作为·OH，·O2–和h+的掩蔽剂。与空白实验对比发现，AA和Na2C2O4的加入会导致降解速率显著降低，而IPA的加入其降解速率只是略有下降。上述结果表明，·O2–和h+在RhB的光催化降解中起主导作用。具有择优取向的Bi12O17Cl2具有较好的光催化活性，可以从以下两个方面来解释。首先，由于样品S3表面的纳米片尺寸较小，比S5具有更高的比表面积，可以为光催化反应提供更多的活性中心。其次，具有择优生长的样品S3的带隙能可以有效分离光生电子–空穴对[37-38]。基于上述结果和分析，提出了Bi12O17Cl2可能的光催化机理，如图11b所示。可见光照射下，Bi12O17Cl2样品在导带和价带上产生电子和空穴。由于样品S3的ECB值为–0.475 eV，比O2/·O2−的标准氧化还原电位负得多（–0.046 eV）[39]。因此，光生电子可以很容易地与溶解的O2分子反应，产生·O2−，这与捕获实验的结果是一致的。光生空穴的正电势小于·OH/OH−，不能转化为·OH。因此，在光催化降解过程中，·O2−和空穴直接与有机污染物发生反应，将其分解为H2O和CO2无机小分子。同时，可见光照射下RhB也可以发生光敏化产生电子[40]。因此，RhB的光敏化作用和Bi12O17Cl2的带隙能都有利于光催化效率的提高。
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采用液相沉淀法制备了沿[200]方向择优生长的Bi12O17Cl2微米花。合成过程中不同量的乙二醇的加入对产物的形貌、晶体生长方向和光催化性能有重要影响。择优生长的Bi12O17Cl2对RhB和MB的降解率分别是没有择优生长的Bi12O17Cl2的2.76倍和1.86倍。捕获实验表明，˙O2–和h+在有机污染物光降解过程中起主要作用。
乙二醇诱导Bi12O17Cl2晶面择优生长的合成及其光催化性能
Ethylene glycol induced synthesis of Bi12O17Cl2 crystals with preferred orientation and their photocatalytic study
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摘要: 通过液相沉淀法，利用乙二醇（EG）诱导成功地制备了沿[200]方向择优生长的Bi12O17Cl2微米花。采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、X射线光电子能谱（XPS）、紫外-可见漫反射光谱（UV-vis DRS）和荧光光谱仪（PL）研究了所制备的光催化剂的相结构、形貌和光学性质。在可见光（350 W氙灯，λ>420 nm）照射下，考察了Bi12O17Cl2样品对罗丹明B（RhB）、亚甲基蓝（MB）的光催化降解性能。结果表明，沿着[200]方向择优生长的Bi12O17Cl2具有更优异的光催化活性，见光300 min后，对RhB的降解效率为77.56%，主要是由于它特殊的形貌和结构提高了光生电荷分离效率，同时，通过捕获实验研究了Bi12O17Cl2的光降解机理。
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关键词:
- 乙二醇 /
- Bi12O17Cl2微米花 /
- 择优生长 /
- 光催化
Abstract: Bi12O17Cl2 microflowers with preferentially oriented growth along [200] were successfully prepared by ethylene glycol (EG) induced through a liquid phase precipitation method. Powder X–ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), high resolution transmission electron microscope (HRTEM), X–ray photoelectron spectroscopy (XPS), UV–vis diffuse reflectance spectroscopy (UV–vis DRS) and photoluminescence spectrometer (PL) were employed to study the phase structures, morphologies and optical properties of the fabricated photocatalysts. The photocatalytic degradation performance of Bi12O17Cl2 samples on rhodamine B (RhB), methylene blue (MB) were evaluated under visible light irradiation (350 W Xe lamp, λ>420 nm). The results showed that Bi12O17Cl2 sample grown along the [200] direction has better photocatalytic activity. After 300 min of light exposure, the degradation efficiency of RhB is 77.56%. Due to its special morphology and structure, which improves the efficiency of photogenerated charge separation. Trapping experiments were performed to reveal the photodegradation mechanism of dyes over Bi12O17Cl2 samples.-
Key words:
- ethylene glycol /
- Bi12O17Cl2 microflowers /
- preferred orientation /
- photocatalysis
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图 1 不同量的乙二醇制备的样品SEM图和XRD谱图(a) S1 (0 mL), (b) S2 (10 mL), (c) S3 (15 mL), (d) S4 (20 mL),(e) S5 (25 mL), (f) 相应的XRD 谱图
Figure 1. SEM images of five samples with different volumes of ethylene glycol (a) S1 (0 mL), (b) S2 (10 mL), (c) S3 (15 mL), (d) S4 (20 mL), (e) S5 (25 mL), (f) Corresponding XRD patterns of the five samples
图 2 Bi12O17Cl2的XPS光谱图(a)全谱; (b) Bi 4f; (c) O 1s和(d) Cl 2p
Figure 2. XPS spectra of Bi12O17Cl2 samples (a) survey; (b) Bi 4f; (c) O 1s; and (d) Cl 2p
图 3 样品S3 (a, b)和 S5 (c, d).的TEM和HRTEM照片
Figure 3. TEM and HRTEM images of samples S3 (a, b), S5 (c, d)
图 4 不同NaOH的量制备的样品的SEM和XRD谱图(a) 2.3 g; (b) 2.4 g; (c) 2.6 g; (d)相应的XRD谱图
Figure 4. SEM images of samples synthesized with different amounts of NaOH (a) 2.3 g; (b) 2.4 g; (c) 2.6 g; (d) Corresponding XRD patterns of the three samples
图 5 不同温度制备的样品的SEM和XRD谱图(a)50 oC; (b) 60 oC; (c) 80 oC; (d)相应的XRD谱图
Figure 5. SEM images of samples synthesized with different temperatures (a)50 oC; (b) 60 oC; (c) 80 oC; (d) Corresponding XRD patterns of the three samples
图 6 (a) 固体紫外吸收光谱图，(b) 样品S3和样品S5的 (αhν)2 对 (hν) 作图
Figure 6. (a) UV–vis absorption spectra and (b) plots of (αhν)2 versus energy (hν) of the sample S3 and sample S5
图 7 N2吸附-脱附等温线(a) 样品S3；(b) 样品S5
Figure 7. The N2 absorption-desorption isotherms (a) sample S3；(b) sample S5
图 9 样品S3和样品S5的光降解图(a) RhB , (b) MB
Figure 9. The photocatalytic degradation of (a) RhB and (b) MB over the sample S3 and sample S5
图 10 可见光下，Bi12O17Cl2的降解拟合曲线(a) RhB (插图为样品相应的K值), (b) MB
Figure 10. Kinetic fit of Bi12O17Cl2 for degrading (a) RhB (inset is the corresponding k values over various photocatalysts) and (b) MB under visible light
图 11 (a) 不同捕获剂对样品S3光催化性能影响; (b) 提出Bi12O17Cl2可能的光催化机理图
Figure 11. (a) Effects of various scavengers on the photodegradation of RhB over sample S3; (b) the proposed schematic mechanism for the photocatalytic reaction on the surface of Bi12O17Cl2
表 1 样品的比表面积，孔体积和孔径。
Table 1. BET surface areas, pore volume, and pore size of the samples.
样品
Samples表面积/(m2·g−1)
Surface area孔体积(×10−2）/(cm3·g−1)
Pore volume孔径/nm
Pore sizeS3 30.3566 7.5729 9.9786 S5 24.4243 4.8968 8.0196 
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