微波水热法合成花球状磷酸铋纳米粉体光催化剂的方法
【专利摘要】本发明公开了一种微波水热法合成花球状磷酸铋纳米粉体光催化剂的方法。本发明的技术方案要点为：（1）将硝酸铋与去离子水配成硝酸铋溶液，在搅拌的条件下向硝酸铋溶液中加入离子液体1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐形成均匀的透明溶液；（2）转移到水热反应釜中，用酸或碱调节反应溶液的pH=1-11，将水热反应釜放入微波消解仪中于180-240℃微波反应10-60min；（3）反应结束后经冷却、离心、洗涤、干燥后得到花球状磷酸铋纳米粉体光催化剂。本发明使用离子液体代替传统原料制备BiPO4光催化剂，在反应体系中离子液体既作为原料，又可以作为模板剂修饰在BiPO4的表面，捕获光生电子，抑制光生电子和空穴的复合进而增强磷酸铋光催化降解有机污染物的能力。
【专利说明】微波水热法合成花球状磷酸铋纳米粉体光催化剂的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无机环保光催化材料【技术领域】，具体涉及一种微波水热法合成花球状磷酸铋纳米粉体光催化剂的方法。
【背景技术】
[0002]20世纪以来，人类在享受迅速发展的科技所带来的舒适和方便的同时，也品尝着盲目和短视造成的生存环境不断恶化的苦果，环境污染已经成为当今全球面临的重要挑战之一，解决这一问题对我国社会可持续发展和构建和谐社会都有重要意义。光催化降解污染物是近年来发展起来的一种节能、高效的绿色环保技术，具有能耗低、反应条件温和、二次污染少等优点，因此引起了广泛的关注。但由于传统的TiO2光催化剂存在量子效率低和太阳能利用率低等缺点，制约了光催化技术的实际应用，因此新型高效光催化剂的成功开发设计是利用太阳能治理环境污染的关键技术之一。在光催化的研究过程中，随着一些光催化剂如Bi2W06、Bi0I等被深入的研究，BiPO4光催化剂降解有机物的潜力也逐渐被大家发现，这种高活性铋系光催化剂独特的晶体结构和电子结构使其具有较宽的吸收带隙，降解有机物的效率非常高。
[0003]室温离子液体一般是由有机阳离子和无机阴离子组成的，在室温或者接近室温的条件下呈液态的离子化合物。离子液体有常规溶剂所不能比拟的优点:蒸汽压小、不挥发、不可燃、毒性小、热稳定性和化学稳定性好。在纳米材料合成过程中离子液体最重要的性质在于它们在液态下形成了延长的“氢键”，形成了较好的结构体系，而溶剂的结构是分子识别和自组装过程的基础，离子液体可以作为熵驱动来自发地形成组织良好、长程有序的纳米材料。本发明通过离子液 体微波水热法合成磷酸铋光催化材料，在反应过程中离子液体不仅作为原料，并且在磷酸铋的表面起到修饰作用，可以捕获光生电子，减弱光生电子和空穴的复合进而增强磷酸铋光催化降解有机污染物的能力。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供了一种简单易行且环境友好的微波水热法合成花球状磷酸铋纳米粉体光催化剂的方法。
[0005]本发明的技术方案为:微波水热法合成花球状磷酸铋纳米粉体光催化剂的方法，其特征在于包括以下步骤:(I)以硝酸铋(Bi (N03)3)、离子液体1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐(BmimPF6)和去离子水为原料，首先将硝酸铋与去离子水配成硝酸铋溶液，然后在搅拌的条件下向硝酸铋溶液中加入离子液体1- 丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐形成均匀的透明溶液，其中硝酸铋与离子液体1- 丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐的摩尔比为1:1 ; (2)将步骤
(I)制得的均匀的透明溶液转移到水热反应釜中，用酸或碱调节反应溶液的PH=1-1l,然后将水热反应釜放入微波消解仪中于180-240°C微波反应10-60min ;(3)反应结束后经冷却、离心、洗涤、干燥后得到具有高催化活性的花球状磷酸铋纳米粉体光催化剂。
[0006]本发明所述的微波水热法合成花球状磷酸铋纳米粉体光催化剂的方法中步骤(2)中调节反应溶液pH的酸或碱分别为硝酸或氨水。
[0007]本发明具有以下优点:(I)本发明首次使用离子液体代替传统原料制备BiPO4光催化剂，在该反应体系中离子液体既作为原料，又可以作为模板剂修饰在BiPO4的表面，捕获光生电子，抑制光生电子和空穴的复合进而增强磷酸铋光催化降解有机污染物的能力；
(2)本发明得到一种形貌新颖的磷酸铋光催化剂，为花球状，其催化性能良好，截至目前，此种磷酸铋新结构我们首次合成和报道；(3)本发明制备方法简单、反应条件温和、有利于大规模推广。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是本发明实施例1制备的花球状磷酸铋纳米粉体光催化剂的X射线衍射图，图2是本发明实施例1制备的花球状磷酸铋纳米粉体光催化剂的SEM图谱，图3是本发明实施例1制得的花球状磷酸铋纳米粉体光催化剂和实施例5以NaH2PO4为原料制备的磷酸铋光催化剂对罗丹明B降解率的对比曲线。
【具体实施方式】
[0009]以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
[0010]实施例1
(I)、在磁力搅拌的条件下，将0.002mol硝酸秘溶于30mL去离子水,搅拌20min,得到溶液A ; (2)、在磁力搅拌的条件下，将0.002mol的BmimPF6逐滴加入到溶液A中，滴加完毕后继续搅拌30min，制得前驱液；(3)、将上述前驱液转移至内衬为聚四氟乙烯的微波水热反应釜中，用硝酸调节pH=l，水热温度为180°C，微波水热60min ;(4)、反应结束后，冷却至室温，利用去离子水和无水乙醇分别反复离心洗涤，80°C真空干燥12h得白色目标产物。图1表明本实施例制备的粉末为纯相的BiPO4结构，没有杂质峰出现，衍射峰尖锐表明结晶度好，图2表明本实施例制备的粉末样品形貌均一，呈由八面体小块堆积而成的花球型。
[0011]实施例2
(I )、在磁力搅拌的条件下，将0.002mol硝酸铋溶于30mL去离子水，搅拌20min，得到溶液A ; (2)、在磁力搅拌的条件下，将0.002mol的BmimPF6逐滴加入到溶液A中，滴加完毕后继续搅拌30min，制得前驱液；(3)、将上述前驱液转移至内衬为聚四氟乙烯的微波水热反应釜中，用硝酸调节pH=4，水热温度为200°C，微波水热40min ;(4)、反应结束后，冷却至室温，利用去离子水和无水乙醇分别反复离心洗涤，80°C真空干燥12h得白色目标产物。
[0012]实施例3
(I )、在磁力搅拌的条件下，将0.002mol硝酸铋溶于30mL去离子水，搅拌20min，得到溶液A ; (2)、在磁力 搅拌的条件下，将0.002mol的BmimPF6逐滴加入到溶液A中，滴加完毕后继续搅拌30min，制得前驱液；(3)、将上述前驱液转移至内衬为聚四氟乙烯的微波水热反应釜中，用氨水调节pH=8，水热温度为220°C，微波水热20min ;(4)、反应结束后，冷却至室温，利用去离子水和无水乙醇分别反复离心洗涤，80°C真空干燥12h得白色目标产物。
[0013]实施例4(I )、在磁力搅拌的条件下，将0.002mol硝酸铋溶于30mL去离子水，搅拌20min，得到溶液A ; (2)、在磁力搅拌的条件下，将0.002mol的BmimPF6逐滴加入到溶液A中，滴加完毕后继续搅拌30min，制得前驱液；(3)、将上述前驱液转移至内衬为聚四氟乙烯的微波水热反应釜中，用氨水调节pH=ll，水热温度为240°C,微波水热IOmin ； (4)、反应结束后，冷却至室温，利用去离子水和无水乙醇分别反复离心洗涤，80°C真空干燥12h得白色目标产物。
[0014]实施例5
(I )、在磁力搅拌的条件下，将0.002mol硝酸铋溶于30mL去离子水，搅拌20min，得到溶液A ; (2)、在磁力搅拌的条件下，将0.002mol的Na H2PO4加入到溶液A中，继续搅拌30min，制得前驱液；(3)、将上述前驱液转移至内衬为聚四氟乙烯的微波水热反应釜中，用氨水调节pH=ll，水热温度为240°C,微波水热IOmin ; (4)、反应结束后，冷却至室温，利用去离子水和无水乙醇分别反复离心洗涤，80°C真空干燥12h得白色目标产物。
[0015]实施例6
分别取等量(0.1g)的实施例1制得的花球状磷酸铋纳米粉体光催化剂和实施例5以磷酸盐原料制得的BiPO4光催化剂，加 入到200mL质量浓度为5mg/L的罗丹明B(RhB)溶液中，超声15min后转移至光催化反应玻璃反应器中，在避光处搅拌30min，以达到吸附脱附平衡，采用125W的高压汞灯作为光源，然后以80ml/min的速度通入空气，开灯并持续搅拌，每间隔一定时间取样一次，离心分离，取其上清液用722型紫外可见分光光度计(λ =554nm)测定罗丹明B的剩余浓度。这两种光催化剂降解罗丹明B的曲线如图3所示，从该图可以看出，在相同的降解时间内，实施例1制得的花球状磷酸铋纳米粉体光催化剂对罗丹明B的降解速率明显高于实施例5以磷酸盐为原料制备的BiPO4光催化剂，因此，实施例1制得的花球状磷酸铋纳米粉体光催化剂的光催化活性高于实施例5以磷酸盐为原料制备的BiPO4光催化剂。同样，经过光催化降解实验表明实施例2-4制得的花球状磷酸铋纳米粉体光催化剂对罗丹明B的降解速率明显高于实施例5以磷酸盐为原料制得的BiPO4光催化剂，因此，实施例2-4制备的花球状磷酸铋纳米粉体光催化剂的光催化活性高于实施例5以磷酸盐为原料制得的BiPO4光催化剂。
[0016]以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。
【权利要求】
1.微波水热法合成花球状磷酸铋纳米粉体光催化剂的方法，其特征在于包括以下步骤:(1)以硝酸铋、离子液体1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐和去离子水为原料，首先将硝酸铋与去离子水配成硝酸铋溶液，然后在搅拌的条件下向硝酸铋溶液中加入离子液体1- 丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐形成均匀的透明溶液，其中硝酸铋与离子液体1- 丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐的摩尔比为1:1 ;(2)将步骤(1)制得的均匀的透明溶液转移到水热反应釜中，用酸或碱调节反应溶液的PH=1-1I，然后将水热反应釜放入微波消解仪中于180-240°C微波反应10-60min ;(3)反应结束后经冷却、离心、洗涤、干燥后得到具有高催化活性的花球状磷酸铋纳米粉体光催化剂。
2.根据权利要求1所述的微波水热法合成花球状磷酸铋纳米粉体光催化剂的方法，其特征在于:步骤(2)中调 节反应溶液pH的酸或碱分别为硝酸或氨水。
【文档编号】C02F1/30GK103979517SQ201410208195
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月19日 优先权日:2014年5月19日
【发明者】刘玉民, 吕华, 汤海波, 张鹏, 丁志伟, 李爽, 李紫金 申请人:河南师范大学