可见光催化剂氧化铋的改性研究进展

doi:10.3969/j.issn.1672-6952.2021.06.001

摘要/Abstract

摘要：

氧化铋(Bi₂O₃)作为重要的半导体光催化材料，由于特殊的电子结构和优良的可见光响应性能，被认为是一种很有前景的可见光光催化剂，在光催化处理废水方面显示了良好的应用前景。但因Bi₂O₃光催化性能较低限制了它的应用，因此研究者对其进行改性，期望获得性能优越的Bi₂O₃光催化材料。综述总结了表面形貌调控、表面修饰、金属离子修饰以及半导体复合等几种改性方法，并对改性Bi₂O₃光催化材料的发展前景进行了展望。

关键词: 光催化, 氧化铋, 改性, 废水处理

Abstract:

As an important semiconductor photocatalytic material, bismuth oxide (Bi₂O₃) is considered as a promising visible photocatalyst due to its special electronic structure and excellent visible light response performance. It displays a good application prospect in photocatalytic treatment of wastewater. However, the application of Bi₂O₃ is limited by its low photocatalytic performance, therefore, Bi₂O₃ pholocatalyst with superior performance is expected to be obtained by modifying methods by the researchers. In this review, a series of modification methods, such as surface morphology regulation, surface modification, metal ion modification and semiconductor combination, are summarized. Then, the future development of modified Bi₂O₃ photocatalytic materials is prospected.

Key words: Photocatalytic, Bismuth oxide, Modification, Wastewater treatment

中图分类号:

TE991

张永辉, 陈雪冰, 张静. 可见光催化剂氧化铋的改性研究进展[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2021, 41(6): 1-8.

Yonghui Zhang, Xuebing Chen, Jing Zhang. Research Progress on Modification of Bismuth Oxide as Visible Light Photocatalyst[J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2021, 41(6): 1-8.

图/表 6

图1 Bi2O3几种典型分级结构的SEM图

图2 空心结构Bi2O3的SEM图

图3 Fe3+掺杂的β?Bi2O3光催化剂的光生电子和空穴分离示意图

图4 Bi2O3/Bi2SiO5异质结光催化降解机理示意图

图5 Z型异质结结构示意图

图6 多级孔结构β/α?Bi2O3异相结光催化降解示意图

参考文献 66

1	李蕾，宫清嵩，王贺. 可见光氧化还原与金属镍协同催化偶联反应研究［J］. 石油化工高等学校学报， 2018， 31（6）： 1⁃10.
2	Zhang F， Wang X， Liu H， et al. Recent advances and applications of semiconductor photocatalytic technology［J］. Applied Sciences， 2019， 9（12）： 2489⁃2531.
3	Li Y， Wang H， Huang L， et al. Promoting LED light driven photocatalytic inactivation of bacteria by novel β⁃Bi₂O₃@BiOBr core/shell photocatalyst［J］. Journal of Alloys and Compounds， 2019， 816： 152665⁃152682.
4	Mittal A， Mari B， Sharma S， et al. Non⁃metal modified TiO₂： A step towards visible light photocatalysis［J］. Journal of Materials Science， 2019， 30（4）： 3186⁃3207.
5	Haffad S， Kiprono K K. Interfacial structure and electronic properties of TiO₂/ZnO/TiO₂ for photocatalytic and photovoltaic applications： A theoretical study［J］. Surface Science， 2019， 686： 10⁃16.
6	Garzon⁃Roman A， Zuñiga⁃Islas C， Quiroga⁃González E. Immobilization of doped TiO₂ nanostructures with Cu or In inside of macroporous silicon using the solvothermal method： Morphological， structural， optical and functional properties［J］. Ceramics International， 2020， 46（1）： 1137⁃1147.
7	李昱慧，张静，张昱屾，等. 石墨相氮化碳光催化剂改性的研究进展［J］. 石油化工高等学校学报， 2019， 32（2）： 3⁃9.
8	Li M， Huang H， Yu S， et al. Facet， junction and electric field engineering of bismuth⁃based materials for photocatalysis［J］. ChemCatChem， 2018， 10（20）： 4477⁃4496.
9	Shan W， Hu Y， Bai Z， et al. In situ preparation of g⁃C₃N₄/bismuth⁃based oxide nanocomposites with enhanced photocatalytic activity［J］. Applied Catalysis B： Environmental， 2016， 188： 1⁃12.
10	Bhat S S， Jang H W. Recent advances in bismuth⁃based nanomaterials for photoelectrochemical water splitting［J］. ChemSusChem， 2017， 10（15）： 3001⁃3018.
11	Chen T， Hao Q， Yang W， et al. A honeycomb multilevel structure Bi₂O₃ with highly efficient catalytic activity driven by bias voltage and oxygen defect［J］. Applied Catalysis B： Environmental， 2018， 237： 442⁃448.
12	Lim H， Rawal S B. Integrated Bi₂O₃ nanostructure modified with Au nanoparticles for enhanced photocatalytic activity under visible light irradiation［J］. Progress in Natural Science： Materials International， 2017， 27（3）： 289⁃296.
13	Stalin S， Gaikwad D K， Samee M A， et al. Structural， optical features and gamma ray shielding properties of Bi₂O₃⁃TeO₂⁃B₂O₃⁃GeO₂ glass system［J］. Ceramics International， 2020， 46（11）： 17325⁃17334.
14	Harriman A， Thomas J M， Zhou W， et al. A new family of photocatalysts based on Bi₂O₃［J］. Journal of Solid State Chemistry， 1988， 72（1）： 126⁃130.
15	Li H， Chang X， Zhang Y， et al. Degradation of 2，4，6⁃trichlorphenol by producing hydrogen using ultrasonic mist generated from photocatalysts suspension［J］. Emerging Contaminants， 2020， 6： 155⁃161.
16	Mishchenko K V， Gerasimov K B， Yukhin Y M. Thermal decomposition of some bismuth oxocarboxylates with formation of β⁃Bi₂O₃［J］. Materials Today： Proceedings， 2020， 25（3）： 391⁃394.
17	Wang Q， Gao Q， Wu H， et al. In situ construction of semimetal Bi modified BiOI⁃Bi₂O₃ film with highly enhanced photoelectrocatalytic performance［J］. Separation and Purification Technology， 2019， 226（1）： 232⁃240.
18	Zhang W， Gao S， Chen D. Preparation of Ce³⁺ doped Bi₂O₃ hollow needle⁃shape with enhanced visible⁃light photocatalytic activity［J］. Journal of Rare Earths， 2019， 37（7）： 726⁃731.
19	Wang Q， Liu E， Zhang C， et al. Synthesis of Cs₃PMo1₂O₄₀/Bi₂O₃ composite with highly enhanced photocatalytic activity under visible⁃light irradiation［J］. Journal of Colloid and Interface Science， 2018， 516： 304⁃311.
20	邵良志. BiOCl纳米片的制备、修饰及催化性能研究［D］. 淮南：安徽理工大学， 2018.
21	Xie D， Su Q， Zhang J， et al. Graphite oxide⁃assisted sonochemical preparation of α⁃Bi₂O₃ nanosheets and their high⁃efficiency visible light photocatalytic activity［J］. Journal of Materials Science， 2014， 49（1）： 218⁃224.
22	Xu K， Wang L， Xu X， et al. Two dimensional bismuth⁃based layered materials for energy⁃related applications［J］. Energy Storage Materials， 2019， 19： 446⁃463.
23	Li X， Yu J， Jaroniec M. Hierarchical photocatalysts［J］. Chemical Society Reviews， 2016， 45： 2603⁃2636.
24	Cheng H， Huang B， Lu J， et al. Synergistic effect of crystal and electronic structures on the visible⁃light⁃driven photocatalytic performances of Bi₂O₃ polymorphs［J］. Physical Chemistry Chemical Physics， 2010， 12（47）： 15468⁃15475.
25	Shinde N M， Xia Q X， Yun J M， et al. A binder⁃free wet chemical synthesis approach to decorate nanoflowers of bismuth oxide on Ni⁃foam for fabricating laboratory scale potential pencil⁃type asymmetric supercapacitor device［J］. Dalton Trans， 2017， 46（20）： 6601⁃6611.
26	Wang J， Yang X， Zhao K， et al. Precursor⁃induced fabrication of β⁃Bi₂O₃ microspheres and their performance as visible⁃light⁃driven photocatalysts［J］. Journal of Materials Chemistry， 2013， 1（32）： 9069⁃9074.
27	Yang X， Meng J， Wang Y， et al. Novel formation of Bi@BiFe⁃glycolate hollow spheres and their conversion into Bi₂O₃/BiFeO₃ composite hollow spheres with enhanced activity and durability in visible photocatalysis［J］. New Journal of Chemistry， 2018， 42： 10697⁃10703.
28	Yan Y， Zhou Z， Cheng Y， et al. Template⁃free fabrication of α⁃ and β⁃Bi₂O₃ hollow spheres and their visible light photocatalytic activity for water purification［J］. Journal of Alloys and Compounds， 2014， 605： 102⁃108.
29	Luo D， Kang Y. Facile photodeposition synthesis of novel Ag/4⁃Br/Bi₂O₃ composite photocatalyst［J］. Materials Letters， 2019， 240： 1⁃4.
30	Xia M H， Huang L L， Zhang Y B， et al. Enhanced photocatalytic activity of La³⁺⁃doped TiO₂ nanotubes with full wave⁃band absorption［J］. Journal of Electronic Materials， 2018， 47（9）： 1⁃5.
31	Gao X， Shang Y， Liu L， et al. Multilayer ultrathin Ag⁃δ⁃Bi₂O₃ with ultrafast charge transformation for enhanced photocatalytic nitrogen fixation［J］. Journal of Colloid and Interface Science， 2019， 533： 649⁃657.
32	Bera K K， Chakraborty M， Chowdhury S R， et al. Significantly improved and synergistic effect of Pt⁃ZnO⁃Bi₂O₃ ternary hetero⁃junctions toward anode⁃catalytic oxidation of methanol in alkali［J］. Electrochimica Acta， 2019， 322： 134775⁃134791.
33	Yang K， Li J， Peng Y， et al. Enhanced visible light photocatalysis over Pt⁃loaded Bi₂O₃： An insight into its photogenerated charge separation， transfer and capture［J］. Physical Chemistry Chemical Physics， 2016， 19（1）： 251⁃257.
34	Lim H， Rawal S B. Integrated Bi₂O₃ nanostructure modified with Au nanoparticles for enhanced photocatalytic activity under visible light irradiation［J］. Progress in Natural Science： Materials International， 2017， 27（3）： 289⁃296.
35	Zhu G， Que W， Zhang J. Synthesis and photocatalytic performance of Ag⁃loaded β⁃Bi₂O₃ microspheres under visible light irradiation［J］. Journal of Alloys and Compounds， 2011， 509（39）： 9479⁃9486.
36	Ma Y， Han Q， Chiu T， et al. Simple thermal decomposition of bismuth citrate to Bi/C/alpha⁃Bi₂O₃ with enhanced photocatalytic performance and adsorptive ability［J］. Catalysis Today， 2020， 340： 40⁃48.
37	Yu X， Sun J， Zhao W， et al. MOF⁃derived Bi₂O₃@C microrods as negative electrodes for advanced asymmetric supercapacitors［J］. RSC Advances， 2020， 10： 14107⁃14112.
38	Dai G， Liu S， Liang Y， et al. A simple preparation of carbon doped porous Bi₂O₃ with enhanced visible⁃light photocatalytic activity［J］. Journal of Alloys and Compounds， 2014， 608： 44⁃48.
39	Jiang S， Wang L， Hao W， et al. Visible⁃light photocatalytic activity of S⁃doped α⁃Bi₂O₃［J］. The Journal of Physical Chemistry C， 2015， 119（25）： 14094⁃14101.
40	Hao Q， Wang R， Lu H， et al. One⁃pot synthesis of C/Bi/Bi₂O₃ composite with enhanced photocatalytic activity［J］. Applied Catalysis B： Environmental， 2017， 219： 63⁃72.
41	Zhang T， Zeng X， Xia Y， et al. Morphology evolution and photocatalytic applications of W⁃doped Bi₂O₃ films prepared using unique oblique angle co⁃sputtering technology［J］. Ceramics International， 2020， 45（17）： 21968⁃21974.
42	Jiang L， Yuan X， Pan Y， et al. Doping of graphitic carbon nitride for photocatalysis： A reveiw［J］. Applied Catalysis B： Environmental， 2017， 217： 388⁃406.
43	Wang Y， Li Y， Bai X， et al. Facile synthesis of Y⁃doped graphitic carbon nitride with enhanced photocatalytic performance［J］. Catalysis Communications， 2016， 84： 179⁃182.
44	Sun H， Guo X， Yu F， et al. Enhanced sinterability and electrical performance of Sm₂O₃ doped CeO₂/BaCeO₃ electrolytes for intermediate⁃temperature solid oxide fuel cells through Bi₂O₃ co⁃doping［J］. Ceramics International， 2019， 45（6）： 7667⁃7672.
45	Li J Z， Zhong J B， Zeng J， et al. Improved photocatalytic activity of dysprosium⁃doped Bi₂O₃ prepared by sol⁃gel method［J］. Materials Science in Semiconductor Processing， 2013， 16（2）： 379⁃384.
46	Wu S， Fang J， Xu W， et al. Hydrothermal synthesis， characterization of visible⁃light⁃driven α⁃Bi₂O₃ enhanced by Pr³⁺ doping［J］. Journal of Chemical Technology and Biotechnology， 2013， 88（10）： 1828⁃1835.
47	Li T， Quan S， Shi X， et al. Fabrication of La⁃doped Bi₂O₃ nanoparticles with oxygen vacancies for improving photocatalytic activity［J］. Catalysis Letters， 2019， 150（3）： 640⁃651.
48	Kara F， Kurban M， Coskun B. Evaluation of electronic transport and optical response of two⁃dimensional Fe⁃doped TiO₂ thin films for photodetector applications［J］. Optik， 2020， 210： 164605⁃164612.
49	Liang J， Zhu G， Liu P， et al. Synthesis and characterization of Fe⁃doped β⁃Bi₂O₃ porous microspheres with enhanced visible light photocatalytic activity［J］. Superlattices and Microstructures， 2014， 72： 272⁃282.
50	Giahi M， Niavol S S， Taghavi H， et al. Synthesis and characterization of ZnO⁃TiO₂ nanopowders doped with Fe via sol⁃gel method and their application in photocatalytic degradation of anionic surfactant［J］. Russian Journal of Physical Chemistry A， 2015， 89（13）： 2432⁃2437.
51	Wu Z， Zeng D， Liu X， et al. Hierarchical δ⁃Bi₂O₃/Bi₂O₂CO₃ composite microspheres： Phase transformation fabrication， characterization and high photocatalytic performance［J］. Research on Chemical Intermediates， 2018， 44（10）： 5995⁃6010.
52	Adhikari S P， Dean H， Hood Z D， et al. Visible⁃light⁃driven Bi₂O₃/WO₃ composites with enhanced photocatalytic activity［J］. RSC Advances， 2015， 5（111）： 91094⁃91102.
53	Li C， Ma Y， Zheng S， et al. Acid etching followed by hydrothermal preparation of nanosized Bi₂O₄/Bi₂O₃ p⁃n junction as highly efficient visible⁃light photocatalyst for organic pollutants removal［J］. Journal of Colloid and Interface Science， 2020， 576（15）： 291⁃301.
54	Ramakrishnan V， Nair K G， Dhakshinamoorthy J， et al. Porous， n⁃p type ultra⁃long， ZnO@Bi₂O₃ heterojunction nanorods⁃based NO₂ gas sensor： New insights towards charge transport characteristics［J］. Physical Chemistry Chemical Physics， 2020， 22： 7524⁃7536.
55	Khalid N R， Israr Z， Tahir M B， et al. Highly efficient Bi₂O₃/MoS₂ p⁃n heterojunction photocatalyst for H₂ evolution from water splitting［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2020， 45（15）： 8479⁃8489.
56	Lu H， Hao Q， Chen T， et al. A high⁃performance Bi₂O₃/Bi₂SiO₅ p⁃n heterojunction photocatalyst induced by phase transition of Bi₂O₃［J］. Applied Catalysis B： Environmental， 2018， 237： 59⁃67.
57	Yi S， Yue X， Xu D， et al. Study on photogenerated charge transfer properties and enhanced visible⁃light photocatalytic activity of p⁃type Bi₂O₃/n⁃type ZnO heterojunctions［J］. New Journal of Chemistry， 2015， 39（4）： 2917⁃2924.
58	Zhu B， Xia P， Li Y， et al. Fabrication and photocatalytic activity enhanced mechanism of direct Z⁃scheme g⁃C₃N₄/Ag₂WO₄ photocatalyst［J］. Applied Surface Science， 2016， 391： 175⁃183.
59	梅邱峰，张飞燕，王宁，等. 二氧化钛基Z型异质结光催化剂［J］. 无机化学学报， 2019， 35（8）： 1321⁃1339.
60	Ji R， Ma C， Ma W， et al. Z⁃scheme MoS₂/Bi₂O₃ heterojunctions： enhanced photocatalytic degradation performance and mechanistic insight［J］. New Journal of Chemistry， 2019， 43（30）： 11876⁃11886.
61	Guo J， Liu Y， Hao Y， et al. Comparison of importance between separation efficiency and valence band position： The case of heterostructured Bi₃O₄Br/α⁃Bi₂O₃ photocatalysts［J］. Applied Catalysis B： Environmental， 2018， 224： 841⁃853.
62	Wang S， Wang L， Ma W， et al. Moderate valence band of bismuth oxyhalides （BiOXs， X=Cl， Br， I） for the best photocatalytic degradation efficiency of MC⁃LR［J］. Chemical Engineering Journal， 2015， 259： 410⁃416.
63	Ai Z， Wang J， Zhang L. Substrate⁃dependent photoreactivities of BiOBr nanoplates prepared at different pH values［J］. Chinese Journal of Catalysis， 2015， 36（12）： 2145⁃2154.
64	Zhang J， Chen X， Bai Y， et al. Boosting photocatalytic water splitting by tuning built⁃in electric field at phase junction［J］. Journal of Materials Chemistry A， 2019， 7（17）： 10264⁃10272.
65	Hou J， Yang C， Wang Z， et al. In situ synthesis of α⁃β phase heterojunction on Bi₂O₃ nanowires with exceptional visible⁃light photocatalytic performance［J］. Applied Catalysis B： Environmental， 2013， 142： 504⁃511.
66	Zhang X， Li C， Liang J， et al. Self⁃templated constructing of heterophase junction into hierarchical porous structure of semiconductors for promoting photogenerated charge separation［J］. ChemCatChem， 2020， 12（4）： 1212⁃1219.

[1]	李晶, 林子博, 孟凡钰, 黄胜晶, 李富云. 微藻生物油对橡胶/SBS改性沥青性能的影响[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2024, 44(4): 18-24.
[2]	杜意恩, 杨召弟, 李玉梅. TiO₂/Fe₂O₃纳米复合材料的制备及光催化性能[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2023, 43(4): 1-7.
[3]	张玉銮, 郭璨, 周銮华, 姚晓曼, 杨仪雯, 庄惠芬, 王艺蓉, 陈宜法, 李顺利, 兰亚乾. 共价有机框架在锂硫电池隔膜中的应用综述[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2023, 43(4): 19-29.
[4]	任翔宇, 陈宝宽, 孙京, 毕研峰. 双多酸基金属有机框架材料的合成及其光催化降解性能[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2023, 43(4): 51-58.
[5]	张硕, 付怀佳, 韩冬云, 乔海燕, 石薇薇, 邓小丹. 改性乙烯焦油沥青的制备及表征分析[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2023, 43(4): 8-13.
[6]	魏雨诗, 王锐, 林壮, 姜恒, 霍明仁, 陈欣悦, 梁晓艳, 张重阳. Fe₃O₄ 基β⁃环糊精聚合物的制备及吸附性能[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(6): 28-35.
[7]	亢春, 马会强, 李爽. Fe掺杂g⁃C₃N₄光催化活化过硫酸钠降解偶氮染料[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(5): 13-17.
[8]	穆晓雪, 丁巍, 张晓帆, 戴咏川, 耿忠兴, 李宇. Fe改性MoNi/γ⁃Al₂O₃催化剂的制备与表征[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(4): 6-10.
[9]	费永鑫, 马会强, 李爽. 改性活性污泥生物炭对水中苯酚吸附性能研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(3): 19-24.
[10]	宋健伟, 张晶, 檀凯文, 潘立卫, 钟和香. 水处理中非均相臭氧氧化催化剂的研究进展[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(3): 8-13.
[11]	佟思琦, 建伟伟, 海秋岩, 解伟欣, 孙易. 多孔固体材料吸附CO₂的研究进展[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(2): 30-37.
[12]	李杰, 方可欣, 姚丽珠. CNTs/Bi₁₂O₁₇Cl₂光催化剂的制备及其光降解罗丹明B性能[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2021, 41(6): 42-47.
[13]	高陆玺, 吕雪川, 宋翰林, 张弛, 王天昊, 高肖汉. 双氰胺⁃甲醛改性絮凝剂的合成与脱色性能[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2021, 41(5): 23-27.
[14]	王雪, 建伟伟, 陆毅, 张绍鹏, 周小盟, 韩赛钊. Cu和Sn改性多壁碳纳米管对VOCs气体的吸附[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2021, 41(5): 44-49.
[15]	石怀川, 石磊. 纳米碳颗粒/氮化碳复合材料的制备及光催化性能[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2021, 41(4): 41-45.