超透明生物质 /Bi2WO6 纳米复合材料用于光催化降解甲醛论文

 

　　关键词：纤维素,Bi2WO6,光催化,甲醛降解

 

　　甲醛作为一种常见污染物，对人体健康具有严重危害。对此，研究者开发了多种降低空气中甲醛含量的方法，包括通风、吸附、植物空气过滤等。然而，这些方法易造成二次污染和污染物转移，很难实现对污染物的完全消除[1]。近年来，光催化污染处理作为一种绿色的净化技术，可将甲醛转化为完全无毒的CO2和H2O，受到了社会各界的广泛关注。开发高效的光催化剂对于提高降解效率，有效解决大气污染问题具有重要意义。基于此，可将超薄的二维纳米片的微观结构特征与优异的宏观性能结合起来，以最小尺寸实现最大的功能[2]。在光催化应用中，借助超薄的二维纳米片材料可更好地将光产生的载流子从内向外转移，从而促使高光活性产生。同时，超薄的二维纳米片材料中含有诸多配位不饱和表面原子，能够捕获到更多的紫外可见光[3]。因此，制备具有合适能带间隙的超薄二维纳米片，并将其应用于光催化领域，具有重大意义。

 

 

　　1.1实验试剂

 

　　本文对木屑的选择并未作特殊要求，即以普通商业木屑为主。同时，所有试剂均采购自中国医药集团有限公司，包括苯醌（BQ）、异丙醇（IPA）、五水合硝酸铋［Bi（NO3）3·5H2O］、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、钨酸钠（Na2WO4·2H2O）和乙二胺四乙酸二钠盐（EDTA-2Na）。

 

　　1.2实验仪器

 

　　紫外-可见吸收光谱仪，型号：岛津UV-1750；透射电子显微镜（TEM），型号：Tecnai-G2-F30；X-射线粉末衍射（XRD），型号：Bruker-AXS-D8；场发射扫描电子显微镜（FE-SEM），型号：FEI-Sirion 200。

 

　　1.3实验方法

 

　　1.3.1制备Bi2WO6/WS薄膜

 

　　实验证明，基于热水反应原理可实现Bi2WO6/WS（二维）的制备。其主要步骤为：将五水合硝酸铋、钨酸钠、十六烷基三甲基溴化铵（分别为2 mmol、1 mmol、0.05 g）依次放入150 mL烧杯中，向其中加入80 mL去离子水，充分搅拌，待其变成澄清溶液后转移至聚四氟乙烯的高压釜（内衬为100 mL）中，随后将钢罐密封并对其进行加热，使温度达到120。C，保持1 d。待温度冷却至室温后，把产品取出，进行离心处理，并使用去离子水进行多次洗涤，确保将没有反应的化学物质去除干净。进行半天的真空干燥，温度保持在60℃,得到钨酸铋材料。

 

　　去掉生物质木屑中的杂质，将其放入去离子水中，待完成去杂后进行烘干处理。放入过氧化氢溶液中浸泡，后置于50℃面板上加热48 h，结束后使用去离子水将多余的过氧化氢去除。将处理后的木屑和制好的钨酸铋混合均匀，搅拌24 h，前者与后者的质量比为3∶1。将混合物在塑料表面皿上铺平，放在烘箱中30℃烘烤24 h，得到Bi2WO6/WS薄膜。

 

　　1.3.2紫外-可见吸收光谱仪检测甲醛

 

　　以降解具体过程为基础，结合实际可能花费的时间，介入催化“氙灯照射”要素，完成后取出液体，进行紫外可见光检测。甲醛与乙酰丙酮及铵离子反应可生成在412 nm处有特征吸收的3、5-乙酰基-1、4二氢吡啶二碳酸。在本实验中，对甲醛降解情况的确定主要依靠412 nm处峰值的强弱来实现。

 

　　1.3.3光照降解甲醛

 

　　在装有20 mL甲醛溶液的白色玻璃瓶中放置Bi2WO6/WS薄膜，半径设为1 mm，静置2 h。为尽快完成对甲醛的处理目标，需要确保全黑暗的前置条件，并根据氙灯照射Bi2WO6/WS薄膜的特性作用，用氙灯处理饱和完成甲醛全吸附的薄膜。

 

 

　　如图1所示，在处理室内甲醛时，可将Bi2WO6/WS薄膜贴在有光源的窗户上，以有效减少室内光纤负面作用。同时，借助该膜的作用，可快速降解室内甲醛污染物。当薄膜受到阳光照射，就会激发Bi2WO6导带中的电子，使其进入导带，进而使具备氧化能力的空穴形成于价带中，氧化甲醛，生成对人体无害的水和二氧化碳。简而言之，一部分电子会变成催化剂，形成能氧化甲醛的自由基，剩余电子则会形成大部分生物所需的氧气。

 

　　2.1 Bi2WO6/WS薄膜的相关表征

 

　　超透明生物质薄膜的微观结构在扫描电镜下如图2（a）和2（b）所示。该种微观薄膜构成元素主要为一些细小、无序、随意堆积的纤维。由图2（c）和2（d）可知，从二维角度来看，要想精准了解Bi2WO6的构成，需从纳米层面出发，观察发现其构成的主要元素为无序插层，而这种构成特性为光的散射营造了良好的环境，即为光的通过提供了更多媒介，为光催化奠定了基础。图2（e）、2（f）主要为该物质透射的示意图，表明W、Bi相关元素拥有较为完整的展示，且计算得知晶格间距为0.315 nm。

 

　　

 

　　利用化学手段对生物质木屑进行简单处理，并将其制成木屑薄膜，呈现出透明状（见图4）。由于其表面并不平整，薄膜的比表面积增大，有利于大量甲醛集聚，为实施光催化降解反应提供了有利条件。

 

 

　　如图5（a）所示，单一的Bi2WO6在可见区有吸收，同时吸收的还有Bi2WO6/WS复合材料。在得到Bi2WO6和薄膜负载后，薄膜并未影响生物质木屑对Bi2WO6的吸收。图5（b）为制备得到的Bi2WO6/WS复合材料，可以看到薄膜材料还是比较透明的。研究发现，复合材料对于太阳光更高的吸收有利于光催化过程的进行。

 

　　2.2 Bi2WO6/WS薄膜降解甲醛的应用研究

 

　　将Bi2WO6/WS薄膜放置在装有甲醛溶液的小瓶中，先做吸附处理，但必须保证环境黑暗，待2 h后再进行降解实验。在降解时，应仔细控制氙灯光源，并及时取出不同时段的溶液，以开展针对性检查。具体数据如图6所示。观察可知，4 h富集的甲醛约有90%，且可在Bi2WO6/WS薄膜中被有效降解。

 

　　为研究Bi2WO6/WS薄膜光催化降解甲醛的机理，实验分别把自由基捕获剂EDTA-2Na（h+）、IPA（OH·)、BQ（O2-）添加到甲醛溶液中，并将其放置在阳光下进行相应降解。完成基础实验后，用紫外检测被处理溶液。研究发现，经过系列处理，大部分甲醛实现了有效处理，但由于其中含有自由基捕获剂，Bi2WO6/WS薄膜处理甲醛的效果受到了明显影响。由此得出结论，在甲醛氧化降解过程中，氧气等要素均参与了处理。具体如图7所示。

 

 

　　本文旨在探索有效、清洁、成本可控的甲醛处理模式。同时，结合Bi2WO6/WS薄膜特性，指出该种材料在处理甲醛的过程中表现出了诸多优势。因此，建议后续对其展开更深入的研究。

 

 

　　［1］冷超,马春雨,王瑞腾,等.等离子体改性TiO2/WO3/Bi2WO6纳米复合材料及其可见光催化活性［J］.精细化工,2022,39(8):1603-1611.

 

　　［2］王红玉,张雅迪,苏雪花,等.Bi2WO6光催化剂改性研究新进展［J］.山东化工,2022,51(5):85-87.

 

　　［3］YANG W L,ZHANG X D,XIE Y.Advances and challenges in chemistry of two-dimensional nanosheets［J］.Nano Today,2016,11(6):793-816.