基于钨(钼)酸铋半导体复合材料的合成及其在光催化降解中的应用

张志; 邹晨涛; 杨水金

doi:10.7536/PC200526

化学进展 ›› 2020, Vol. 32 ›› Issue (9) :1427-1436 DOI: 10.7536/PC200526

综述

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基于钨(钼)酸铋半导体复合材料的合成及其在光催化降解中的应用

张志 ¹ ,
邹晨涛 ¹ ,
杨水金 ¹^,²^,^**

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Fabrication of Semiconductor Composite Materials Based on Bismuth Tungstate/Molybdate and Their Application in Photocatalytic Degradation

Zhi Zhang ¹ ,
Chentao Zou ¹ ,
Shuijin Yang ¹^,²^,^**

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摘要

由于全球的工农业的迅速发展,水污染已成为人类所面临的最大危机。基于半导体光催化法是治理水污染的绿色技术之一,能够有效地降解和去除水中的污染物。在众多光催化材料中,金属氧化物半导体由于其具有低毒性、高稳定性和对水溶液中化学腐蚀的较高的抵抗力等优点,而被科学家们广泛地研究和应用。其中,三元组分的金属氧化物因其具有较窄的禁带宽度和可见光响应性质,在光催化降解领域上的能力已经超过其他的金属化合物。本文系统地介绍了两种典型的三元金属氧化物——钨酸铋和钼酸铋,围绕着基于钨酸铋和钼酸铋的复合型催化剂的制备和在光催化降解废水处理领域中的应用以及发展进行了综述,提出了目前关于钨酸铋和钼酸铋的复合材料的设计、机理研究和改性修饰方法中的所存在的主要问题,并对未来的发展趋势进行了展望。

Abstract

Due to the rapid development of industry and agriculture worldwide, water pollution has become the most important crisis facing humanity. Semiconductor-based photocatalytic method is one of the green technologies for controlling water pollution, which can effectively degrade and remove pollutants in water. The widespread use of metal oxide semiconductors in numerous photocatalytic materials, which stems from their salient features such as low toxicity, high stability, and resistance to chemical corrosion in aqueous solution. Among these, ternary metal oxides have surpassed other metal oxides in terms of photocatalytic activity under visible-light irradiation due to their reduced band gaps. This article systematically describes two typical ternary metal oxides-bismuth tungstate and bismuth molybdate. The preparation as well as the application and development of composite catalysts based on bismuth tungstate and bismuth molybdate in the field of photocatalytic degradation wastewater treatment are reviewed. The main problems in the design, mechanism research and modification methods of the composite materials on bismuth tungstate and bismuth molybdate are proposed, and the future development trend is prospected.

Contents

1 Introduction

2 Structure of pure phase bismuth tungstate/molybdate and disadvantages

3 Construction of bismuth tungstate/molybdate based composite materials

3.1 Photocatalytic degradation for purification of wastewater

3.2 Modification strategies

3.3 Key factors affecting catalyst performance

4 Conclusion and outlook

Graphical abstract

关键词

光催化 / 金属氧化物 / 钨酸铋 / 钼酸铋 / 复合材料 / 污染物

Key words

photocatalysis / metal oxide / bismuth tungstate / bismuth molybdate / composite materials / pollutants

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张志, 邹晨涛, 杨水金. 基于钨(钼)酸铋半导体复合材料的合成及其在光催化降解中的应用[J]. 化学进展, 2020, 32(9): 1427-1436 DOI:10.7536/PC200526

Zhi Zhang, Chentao Zou, Shuijin Yang. Fabrication of Semiconductor Composite Materials Based on Bismuth Tungstate/Molybdate and Their Application in Photocatalytic Degradation[J]. Progress in Chemistry, 2020, 32(9): 1427-1436 DOI:10.7536/PC200526

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1 引言

在现代工业化社会中,随着全球经济和人口的不断增长,能够利用的水资源日趋减少,这也是人类将在未来要面临的严峻问题之一。因此,从淡水资源中去除污染物以及处理工业废水已然成为确保生态自然平衡的重要选择。尽管一些传统的水净化处理法(包括凝结、絮凝、沉淀、过滤和消毒程序等)已应用于去除水中的多种常见的污染物^{[1, 2]},但是由于废水中的部分污染物(例如抗生素、农药和持久性染料等)具有持久性^[3],致使水净化的效率不尽人意。基于半导体的光催化降解技术因其具有操作设备简易、高效节能和环境友好等优点,被认为是解决工业废水问题的一种有效途径^[4~9]。

简而言之,基于半导体的光催化降解反应包括至少五个主要步骤:(1)半导体对光的吸收;(2)半导体中光生电子-空穴对的形成;(3)光生电子-空穴对的迁移和复合;(4)反应物的吸附和产物的解吸;(5)半导体表面上发生氧化还原反应,降解污染物。TiO₂作为一种经典的半导体光催化剂,早在1972年就被科学家们发现其在紫外线的照射下具有分解水的能力^{[10, 11]},但是它的光吸收范围较窄,禁带宽度较大,光生载流子容易快速复合,导致了光催化活性的降低,因而限制了其在废水处理中的应用^{[12, 13]}。

一种理想的光催化剂,首先要具有无毒无害、高效稳定、较大的比表面积和较低的光生载流子复合效率等特征^[14~16]。其次,还要具备产生自由基的合适的能带位置,以及可见光响应性质,能够充分地利用太阳光中大量的可见光源^{[17, 18]}。在众多的半导体光催化剂中,金属氧化物半导体具有低毒性、高稳定性和对水溶液中化学腐蚀有较高的抵抗力等优点。其中,钨(钼)酸铋Bi₂MO₆(M=W, Mo)类材料^[19~23]因其独特的奥里维里斯(Aurivillius)结构、正交晶型和较稳定的化学性质,表现出优异的光催化性能,而被科学家们广泛地研究和应用于光催化降解领域。本文系统地总结了钨(钼)酸铋基复合材料在光催化降解处理废水领域的最新研究进展,介绍了纯相钨酸铋(Bi₂WO₆)和钼酸铋(Bi₂MoO₆)的晶体结构和化学性质,列举了几种常见的改性修饰纯相半导体的方法,重点讨论了不同的钨(钼)酸铋基复合型材料的光催化降解机理和应用,并对其在水资源净化领域的未来发展方向和面临的问题进行展望。

2 纯相钨(钼)酸铋的结构和缺陷

大多数铋基材料都属于Aurivillius家族,其基本结构为(Bi₂O₂)²⁺层和其他离子层交替堆叠,这有利于光生电子-空穴对的迁移,抑制光生载流子的复合,从而增强其光催化活性^[24~38]。Bi₂WO₆是Aurivillius家族中最简单的成员之一^[39~43],结构通式为Bi₂A_n_-1B_nO₃_n₊₃(n=1; A=Ca、Sr、Ba、Pb、Bi、Na、K; B=Ti、Nb、Ta、Mo、W、Fe),独特的层状结构和可见光响应性质使其具有优良的光催化性能。另外,Bi₂WO₆还具有其他良好的物理及化学性质,例如铁电、压电性质,催化行为和非线性介电常数^[44]等。与Bi₂WO₆结构相似,Bi₂MoO₆也属于Aurivillius族化合物^[45~49],是一种由可见光驱动的光催化剂,在光催化降解方面上表现出显著的光催化活性^[50~52]。同时,Bi₂MoO₆具备出色的光学性能^[53]。铁电性能^[54]。超塑性^[55]和微波电介质^[56~58]等特性,因此也被广泛应用于其他领域。在Bi₂WO₆和Bi₂MoO₆的晶体结构中(如图1),Bi 6s和O 2p轨道之间进行杂化,(Bi₂O₂)_n²ⁿ⁺层和钙钛矿(MO₄)_n^2n-(M=W, Mo)层之间形成的内部电场有利于促进光生电荷的分离。然而,无论是纯相的钨酸铋还是钼酸铋,都难以避免光生电子-空穴对的快速复合,这也直接地导致了单一半导体光催化性能的普遍降低^[59~64]。

为了提高纯相Bi₂WO₆和Bi₂MoO₆的光生载流子分离率,使得它们的电荷载体能够参与氧化还原反应以去除污染物,应用于实际的理想催化剂,科学家们正进行着不断的探索。最近,构建基于钨酸铋或钼酸铋的复合型光催化材料作为有效的改性策略而备受关注,包括构建半导体复合型异质结^[65~69]、元素的掺杂^[70~75]、贵金属的沉积^[76~81]、氧空位的引入^[82~85]和构建固溶体结构^[86~88]等方法。为了更好地理解不同的改性方式对光催化性能的影响,本课题组也在尝试合成钨(钼)酸铋复合型光催化材料用于污染物的可见光降解。比如联合经典的TiO₂和Bi₂WO₆,构建出TiO₂/Bi₂WO₆^89]异质结,在可见光下降解罗丹明B(RhB)和盐酸四环素(TCs)溶液可显著地提高Bi₂WO₆的光催化性能;以及利用NaBH₄还原剂制备出Bi/Bi₂MoO₆^90]金属沉积型复合材料,通过EDTA-Bi前驱体合成C/Bi/Bi₂WO₆^91]元素掺杂型复合材料,都能够在降解有机染料和无色的抗生素等时表现出增强的光催化活性,并且也探究了不同的改性方法所引起的不同的电荷转移机制(图2)。有关构建钨酸铋或钼酸铋基复合材料及其在光催化降解中的应用,请参阅本综述的第3部分,其中详细介绍了复合型材料的制备方法和光催化机理。

3 构建钨(钼)酸铋基复合型光催化材料

3.1 光催化降解处理废水

由于农业、工业化的推进,在很大程度上加剧了水资源质量的恶化过程。水污染源分为点源或非点源(扩散源)^[92]。点源污染是指污染物直接排放到水中,例如工业污水直接排放到河流中。非点源污染则是指污染物通过径流进入水中时发生的扩散污染,例如当有机农药被地表径流冲入河流时。常见的污染物包括有机染料(罗丹明B、甲基橙、孔雀石绿、亚甲基蓝等)、带苯环的大分子有机物(双酚A、苯酚、对氯苯酚、双氯芬酸等)以及抗生素(环丙沙星、诺氟沙星、盐酸四环素等)之类的有机化合物。这些化学产品的过量使用,导致了水污染面积的扩大,引起了水体富营养化,并且由于其具有成分复杂、生物难降解等特点,对生命体以及人类健康的影响较大,甚至可能引发癌症^{[93, 94]}。近年来,钨(钼)酸铋基复合型材料在光催化降解有机染料和抗生素等领域上逐渐被科研者关注,如表1所示。

3.2 改性方法

3.2.1 构建基于半导体的异质结

由于能够有效地提高电子-空穴对的分离效率,构建基于半导体之间的异质结已被认为是提高光催化剂性能最有前途的方法之一。到目前为止,许多基于钼酸铋或钨酸铋的半导体异质结都被报道过,例如Bi₂S₃/Bi₂WO₆^95]、Bi₂WO₆/BiOI^[96]、MgFe₂O₄/Bi₂MoO₆^97]以及WO₃/Bi₂MoO₆^98]等。2014年,Peng等^[99]采用三步法合成出Bi₂O₃/Bi₂WO₆异质结,在模拟可见光的条件下能够有效地降解罗丹明B和苯酚;他们通过X射线粉末衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)和Brunauer-Emmett-Teller比表面积法(BET)等表征分析了光催化性能提升的原因,并发现复合异质结的形成没有改变纯相材料的晶型和基本形貌等特征,其在可见光区域的吸收强度和光生载流子的分离能力却得到了增强,因此Bi₂O₃/Bi₂WO₆异质结表现出比纯Bi₂O₃和Bi₂WO₆更优异的光催化降解性能。2017年,Li等^[100]构建出新颖的Ag₃VO₄/Bi₂WO₆异质结,在可见光下降解罗丹明B(RhB)、甲基橙(MO)和对氯苯酚(4-CP)来评估异质结的光催化活性,当Ag₃VO₄/Bi₂WO₆的摩尔比为0.15/1时,复合异质结的光催化性能最高;他们认为引入Ag₃VO₄之后能够有效抑制Bi₂WO₆中光生电子-空穴对的复合,使得催化剂表面上的氧化还原反应顺利进行,从而提高异质结的光催化性能。此外,在2018年,Zhao等^[101]通过静电纺丝和溶剂热法联用制备出Bi₂MoO₆/ZnFe₂O₄复合异质结,在可见光下降解罗丹明B溶液时表现出优异的光催化性能、磁分离性能和化学稳定性;该异质结联合了磁性半导体ZnFe₂O₄和Aurivillius族的Bi₂MoO₆,使其发挥出良好的磁性和稳定性,将太阳能转化为化学能,是一种高效多功能的复合材料。在这之后,Fu等^[102]设计合成Bi₂O₃/Bi₂MoO₆异质结,该异质结通过简单的碱处理和空气煅烧使Bi₂O₃纳米片原位生长在Bi₂MoO₆微球上,并且光催化降解苯酚的活性也得到提升。与Peng等设计的Bi₂O₃/Bi₂WO₆异质结不同的是,Fu等合成的Bi₂O₃/Bi₂MoO₆异质结遵循直接Z型电荷转移机制,通过荧光光谱和相应的衰退曲线可以看出这种异质结能够在空间上有效分离电荷载体,并且具有优异的光吸收和快速的电荷传输能力等特性(如图3),在环境修复和太阳能利用等领域中具有广阔的应用前景。

3.2.2 元素的掺杂

掺杂是将元素离子引入半导体晶体结构的基本策略,包括金属和非金属元素掺杂,可能致使晶体中产生缺陷,从而能够调节半导体固有的特性^[103~106]。更重要的是,掺杂可以提供额外的电子或提供额外的空穴^[107],这些电子或空穴然后可用作氧化还原反应的载体,对于改善单一半导体的光催化性能至关重要。譬如,Hoang等^[108]采用微波辅助的水热法合成了N元素掺杂的Bi₂WO₆纳米颗粒,使用高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)和X射线光电子能谱(XPS)等表征判断N元素掺杂至Bi₂WO₆晶格中,并通过降解罗丹明B溶液来研究N/Bi₂WO₆掺杂型复合材料的光催化性能;他们的实验结果表明,N元素的掺杂有助于增强Bi₂WO₆纳米颗粒的光催化活性,主要是由于N/Bi₂WO₆的光生载流子复合率的降低和光生空穴的增多。

Zhu等^[109]为了阐明不同金属(Mg、Fe、Zn、Cu)掺杂型材料的光催化机理,在可见光的照射下降解两种抗生素:诺氟沙星(NOR)和环丙沙星(CIP),都能明显改善纯Bi₂WO₆的光催化性能;他们认为金属掺杂型复合材料光催化性能的增强归因于其比表面积的增大、静电吸收能力的增强以及反应中强氧化性物种数量的提升。另外,镧系元素掺杂也是提升光催化剂的氧化、光吸收和电荷分离能力的有效可控的方法之一。然而,仅掺杂一种或两种镧系元素离子并不能克服单组分光催化剂的缺点。基于此理论,Li等^[110]水热合成新型Gd/Er/Lu掺杂的Bi₂MoO₆复合材料,用于罗丹明B(RhB)、盐酸四环素(TCs)和对氯苯酚(4-CP)的可见光降解。他们发现掺杂了Gd³⁺为氧化还原中心后,羟基自由基的产生明显地提高了Bi₂MoO₆的氧化效率;引入的Er³⁺可提供能量上转换中心,以改善光吸收;Lu³⁺掺杂后,Bi₂MoO₆晶体中产生了大量的氧空位,有利于促进光生载流子的分离(图4)。因此,Gd、Er、Lu三种元素掺杂的Bi₂MoO₆能够表现出比单掺杂的材料更好的光催化性能,利用多种元素的协同作用设计合成高效光催化剂也可能是未来的改性方法之一。

3.2.3 贵金属的沉积

将贵金属单质(Au、Ag、Pt等)沉积在钨酸铋或钼酸铋上,利用贵金属所具有的表面等离子共振效应(SPR)以及金属-半导体耦合形成的肖特基势垒,能够有效地拓宽半导体的光吸收范围和抑制电子-空穴对的复合^[111~114]。比如,Wu等^[115]通过光还原法将Ag沉积在Bi₂WO₆上,制备出的Ag/Bi₂WO₆复合材料在降解罗丹明B、甲基橙、亚甲基蓝和苯酚溶液时,表现出比纯Bi₂WO₆更高的光催化活性。Phuruangrat等^[116]结合水热法和声波化学法合成出Ag/Bi₂MoO₆,通过X射线粉末衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)和紫外-可见漫反射光谱(DRS)对复合材料进行表征,证实了Ag纳米颗粒沉积在Bi₂MoO₆上,并且光催化降解罗丹明B的效率比纯相材料更高;他们认为金属-半导体形成的肖特基势垒能够促进电子-空穴对的分离,有利于光催化性能的提高。然而,这些金属要么价格、成本昂贵,要么在反应过程中不易收集造成浪费,不能大规模地使用。近些年来, 半金属铋(Bi)由于其特殊的性能包括窄的带隙、高的载流子运动性和低的有效质量而引起了广泛的关注^[117]。除此之外,Bi还具有与贵金属纳米粒子相同的等离子体特性,可以代替其充当电子陷阱,从而促进光催化过程中的电子-空穴分离^[118]。2017年,Yu等^[119]以NaBH₄为还原剂,在室温下通过原位还原法成功合成了Bi/Bi₂WO₆复合光催化剂,并发现其在可见光下降解苯酚的光催化活性得到了提升,这归因于半金属Bi的表面等离子共振效应(SPR)增强了Bi₂WO₆的光吸收能力和电荷分离效率。据最新的文献报道,Xu等^[120]通过两步湿化学法构建出Bi@Bi₂MoO₆复合结构,提出了其在可见光条件下降解五氯酚钠(NaPCP)的光催化机理;他们根据实验结果将复合材料性能的增强归因于半金属Bi沉积在不同的晶面上之后,容易形成电子转移通道,从而进一步促进了光生自由基的形成和转移,并最终影响了NaPCP的降解过程(图5)。基于对金属-半导体体系中机理的认知和理解,科学家们在修饰和改性半导体的过程中又多出一种可行且有效的选择。

3.2.4 氧空位缺陷工程

作为一种常见的缺陷工程技术,氧空位由于形成能较低而在过渡金属氧化物中被广泛地研究^[121]。它能够捕获光生电荷并将捕获的电子转移到吸附的催化剂上,从而有效地抑制金属氧化物中光生载流子的复合,增强其光催化活性^{[122, 123]}。另一方面,通过引入氧空位提升价带的位置,可以拓宽材料的光吸收范围并缩小其禁带宽度,也利于光催化反应的进行^[124]。2019年,Jing等^[125]合成具有氧空位的Bi₂MoO₆层状微球,通过控制水热反应的温度和时间来调节氧空位的浓度,在可见光照射下去除苯甲醇表现出增强的光催化性能;他们认为浓度较高的氧空位可以促进苯甲醇的配位,并且能够充当反应活性位点,提升Bi₂MoO₆的光催化性能。2020年,Bai等^[126]通过煅烧法在Bi₂MoO₆中引入氧空位,并通过X射线光电子能谱(XPS)证明其存在,发现氧空位结构的Bi₂MoO₆光催化降解盐酸四环素(TCs)的效率得到了提升,这可归因于其具有较高的结晶度、介孔结构和减小的带隙等。同年,Zhang等^[127]在H₂PtCl₆·6H₂O的存在下,通过原位NaBH₄还原法在Bi₂WO₆中同时引入氧空位以及金属Pt和Bi,Pt/Bi-Bi₂WO₆复合材料在可见光下对气态甲苯的降解表现出优异的光催化性能,采用电子顺磁共振(EPR)和密度泛函理论(DFT)计算探索了其潜在的光催化机理;他们发现产生的氧空位致使Bi₂WO₆的带隙变窄和活性氧物种数量的增多,生成的Pt和Bi金属促进了电子-空穴对的分离(如图6)。这种同时引入多组分的简易方案得到了一种新颖的复合光催化剂,可以去除具有挥发性的有机化合物,非常值得我们去学习,其应用价值和前景也比较好。

3.2.5 构建固溶体结构

Bi₂WO₆和Bi₂MoO₆都是三元金属氧化物,且两种半导体都属于铋系材料的Aurivillius族,那么是否可以将Bi₂WO₆(高光催化活性)和Bi₂MoO₆(窄带隙)的优点整合到一种化合物中呢?理论上,这种假设是存在可能性的。由于Mo⁶⁺(0.059 nm)和W⁶⁺(0.060 nm)离子的半径相近,因此Mo⁶⁺离子可以部分取代Bi₂WO₆晶格中的W⁶⁺离子,形成Bi₂Mo_xW_1-_xO₆固溶体^{[128, 129]}。有相关的研究表明Mo⁶⁺离子可能会改变Bi₂WO₆的晶体结构,从而显著影响其电子结构^{[130, 131]}。

Li等^[132]报道了通过阴离子交换法合成微球状的Bi₂Mo_xW_1-_xO₆固溶体,表现出Aurivillius型的晶体结构,没有其他晶相的存在,并通过拉曼光谱判断Mo⁶⁺离子已部分取代了W⁶⁺离子;他们证实在完全的固溶体中,随着x值的增大,Bi₂Mo_xW_1-_xO₆固溶体的带隙值逐渐减小,光吸收范围逐渐被拓宽,因此在降解罗丹明B(RhB)时,能够表现出最佳的光催化活性和循环稳定性(图7)。此外,Han等^[133]研究发现采用一步水热法也能制备出花球状的Bi₂Mo_xW_1-_xO₆固溶体,光催化降解罗丹明B的效果相似,并且也有较高的稳定性。利用水热法和阴离子交换法都能够得到Bi₂Mo_xW_1-_xO₆固溶体,但是水热法的步骤更为简易和稳定,条件也随时可控,在相同的条件下能否节约实验成本和投入的精力,这也是后续需要解决的问题。

3.3 影响催化剂性能的关键因素

光催化剂的催化能力不仅受到诸如禁带宽度、溶解度和分散性等固有的性质影响,还受其表面状态的影响,包括电荷吸收性能、分子结构等。尤其是暴露的晶面、酸碱度pH值以及温度等条件,这些是影响催化剂性能的关键性因素。具体分析如下。

(1)暴露的晶面。光催化反应发生在反应物和催化剂的界面处,因此,光催化活性的差异取决于表面的微观结构和暴露的小平面^[134]。钨钼酸铋中[Bi₂O₂]²⁺堆叠的切片结构可以实现高反应性{001}晶面的可控显性曝光,而这种暴露的晶面是光催化领域研究人员的普遍追求^[135]。2019年,Sun等^[136]使用第一性原理计算来探索晶面对Bi₂WO₆/BiOCl异质结的界面结构和光催化性质的影响;与Bi₂WO₆(010)/BiOCl(010)晶面相比,Bi₂WO₆(010)/BiOCl(001)具有边际晶格失配和良好的价带偏移,可以促进光生电子-空穴对的分离,从而提升单一Bi₂WO₆的光催化性能。这为设计高效异质结光催化剂提供了参考。

(2)pH值和温度的影响。2018年,Fang等^[137]调节水热过程中的pH值,合成出TiO₂/Bi₄MoO₉异质结,表现出增强的光催化活性;这归因于酸碱度影响了材料的结构,最终生成另外一种晶型的钼酸铋Bi₄MoO₉,由于其带隙窄而促进了光生电子-空穴对的产生,嵌入Bi₄MoO₉纳米带中的TiO₂纳米颗粒仍保持小尺寸、大的比表面积和较高的结晶度。因此,能够改善光催化性能。同年,Wang等^[138]通过改变煅烧温度合成具有氧空位结构的钼酸铋,然后再通过光还原法将银纳米颗粒沉积在钼酸铋上,形成Ag/Bi₂MoO_6-_x结构,也能提升纯钼酸铋的光催化性能。所以,温度对于催化剂的制备及性能的影响也是至关重要的。

4 结论和展望

本文对钨(钼)酸铋基复合体系在光催化降解领域中的研究进展进行了介绍,按照不同的改性方法进行了分类及总结。已有的研究工作表明,通过修饰纯相的钨酸铋和钼酸铋,在一定程度上能够提高光催化降解污染物的效率。不同修饰方法对于提高光催化降解效率机理的理解,以及设计合理的催化剂具有一定的指向作用。然而,大多数的复合材料的研究都是处于探索阶段,初步的尝试只是通过不同的合成方法和修饰类型对单一的半导体进行性能方面的改进,基本上都是在实验室等密闭的空间内模拟去除废水中的污染物来评估其光催化性能,而对反应的微观机理解释,复杂成分的废水处理的研究和应用较少。因此,从机理上去深入探究复合材料的降解性能,将其规模化应用于实际的废水处理,是未来研究的重点,包括以下三个方面。

(1)理论计算与实验结果相结合。需要通过实验前的理论计算研究催化剂的晶体、能带结构对催化性能的影响,减少在实验中摸索的时间,以便能够合理地设计出高性能的光催化材料,达到预期的目的。

(2)催化剂的稳定性和可回收性。虽然半导体的改性很大程度上提高了其光催化性能,但也在一定程度上降低了自身的稳定性。并且,多数文献报道的复合型材料主要是纳米粉末,不仅对催化剂的回收带来难度,还可能会造成环境的二次污染。如何实现光催化效率提高的同时保持其良好的稳定性以及可回收性也是催化剂实际应用面临的难题之一。

(3)复杂成分的废水处理。目前,关于钨(钼)酸铋基复合材料的应用研究主要集中在简单污染物的去除,今后能否将其用于新型污染物的去除,尤其是实际水体中混合有机污染物以及重金属离子等,并要深入地研究光催化去除此类污染物的降解机制。这些都是光催化材料能否应用于实际的因素。

总而言之,如何将钨(钼)酸铋基等一系列的复合材料高效规模化并应用于实际来去除环境污染物依然任重而道远。

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