硅藻模板水处理光催化剂
目前，国内外有多个研究小组致力于开发可见光响应型光催化剂，期望更有效地利用太阳能治理废水。 Bi 2 O 3 晶体是一种重要的 p- 型半导体材料，禁带宽度较窄，可有效利用可见光进行有机污染物的光催化降解，是近年来受到广泛关注的新型可见光催化剂。 Bi 2 O 3 具有多种晶体结构：面心立方相 δ-Bi 2 O 3 ，体心立方相 γ-Bi 2 O 3 ，四方相β-Bi 2 O 3 ，单斜相 α-Bi 2 O 3 和斜方相 ε-Bi 2 O 3 等，随晶体结构的不同，直接带隙在 2.38 ～ 3.96 eV ，相应地在性能上也表现出很大的差异。在室温，只有单斜相 α-Bi 2 O 3 可以稳定存在， 通常被用作可见光催化剂，四方相 β-Bi 2 O 3 是亚稳相化合物，但相对于单斜相 α-Bi 2 O 3 表现出优越的光催化效率。如何用简便的方法负载 Bi 2 O 3 可见光催化剂还鲜有报道，负载后的催化剂易回收且能利用太阳能中大部分可见光来降解有机污染物，具有重要的实用价值。冷冻干燥法是制备纳米粉体材料的方法之一，大量研究结果表明 ，采用该法得到的纳米粉化学纯度高、均匀性好、粒径小且均匀、硬团聚少。此外，该法易操作、重复性好，适用于制备具有特殊光、电、磁、热等性能的纳米功能材料，具有广阔的应用前景。由此，以冷冻干燥法制备了不同负载量的 Bi 2 O 3 / 硅藻土复合光催化剂，将硅藻土的吸附能力和 Bi 2 O 3 的可见光催化性能有机的结合在一起，得到了可见光响应、易回收的复合光催化材料。
为了提高硅藻土吸附和白度等性能，使用前需进行提纯处理。称取硅藻土 5 g ，与 100 mL 浓度分别为 0.022 、 0.054 、0.086 、 0.129 mol/L 的 Bi(NO 3 ) 3 •5H 2 O 溶液充分混合。将混合液置于冰箱内冷冻室冷冻 12 h ，至混合液完全变成固体。将 4 组样品迅速放置真空冷冻干燥仪中，抽真空后冻结物中冰直接升华，仅留下难挥发或不挥发的成分。冷冻干燥 24 h 后，容器内壁铺满一层蓬松的粉末。 Wang 等的工作表明，硝酸铋在 460 ℃即完全分解，因此，选择 500 ℃焙烧含硝酸铋的复合粉体。将冷冻干燥的粉体置于坩埚中，在马弗炉中加热至 500 ℃，保温 3 h ，自然冷却，得 到 Bi 2 O 3 / 硅藻土质量比分别为 0.10:1.00 、 0.25:1.00 、0.40:1.00 、 0.60:1.00 的可见光复合光催化剂。
将硅藻土与硝酸铋溶液混合后，经冷冻干燥、煅烧得到了 Bi 2 O 3 / 硅藻土纳米复合光催化材料。由样品的 FESEM 图像可以看出， Bi 2 O 3 颗粒在硅藻土表面分布较为均匀，该法制备的 Bi 2 O 3 可有效吸收波长小于 520 nm 的可见光。产物中 Bi 2 O 3 为 α 相与β 相的混晶， β-Bi 2 O 3 晶粒尺寸为 31.7 nm ， α-Bi 2 O 3晶粒尺寸为 23.5 nm 。 样品在可见光条件下光催化降解亚甲基蓝时， 当 Bi 2 O 3 : 硅藻土为 0.4:1 时的复合光催化剂对亚甲基蓝的处理效率较高，在 2 h 对亚甲基蓝的降解率达 90% 以上。对于制备 Bi 2 O 3 ：硅藻土的质量比为 0.40:1.00 或者更低时， 冷冻干燥法结合空气煅烧的方法可基本保证 Bi 2 O 3 负载在硅藻土表面，并保留硅藻土中较多的孔结构。