一种可见光催化剂BiVO₄及其制备方法

专利名称：：一种可见光催化剂BiVO₄及其制备方法
技术领域：
：本发明属于光催化剂材料领域，具体涉及一种新型三维连通孔道结构可见光催化剂BiV04的制备方法，所得到的催化剂可用于降解环境中的有害物质。
背景技术：
：近些年来，环境污染和能源危机给人类生存带来的挑战日益严重，光催化技术作为一种高级氧化过程技术应运而生，并获得了显著的发展。二氧化钛(TiO》由于其稳定的化学性质、优越的催化活性、无毒、价格低廉等特点，成为研究最为广泛的光催化剂。但是，因为较宽的禁带宽度(3.2ev)的限制，Ti(^只能利用小于388nm的紫外光，而对占太阳光能量45%的可见光的利用极少。因此，开发高效利用可见光的可见光响应光催化剂具有极高的经济价值和实用前景。在可见光激发光催化剂中，铋系复合氧化物由于独特的晶体结构和电子结构，成为可见光催化剂材料中的研究热点。钒酸铋(BiV04)作为一种代表性的光催化剂，具有单斜相的BiV04比四方相BiV04表现出更高的光催化活性。传统的固相反应法制备的钒酸铋由于颗粒粗大、比表面积小，其光催化性能较差，而目前应用较多的水热法多采用添加模板剂和表面活性剂的方式调整材料的形貌结构，操作复杂、价格昂贵。
发明内容本发明的目的在于提供一种制备三维连通孔道结构可见光催化剂BiV04及其制备方法，可见光催化剂BiV04具有三维连通孔道结构、颗粒较小，并具有较大的比表面积；制备方法工艺简单，成本低廉，且能耗低。本发明提供的一种可见光催化剂BiV04，其特征在于，该可见光催化剂BiV04为粉体，晶相为单斜晶系白钨矿结构，其形貌为三维连通孔道结构。上述可见光催化剂BiV04制备方法包括下述步骤(1)按照铋盐中Bi离子与钒盐中的V离子的摩尔比为1:0.51:2溶解在乙二醇中，超声、搅拌，制备成Bi离子浓度为0.050.5mo1L—1的澄清溶液；(2)将所制备的澄清溶液转移到恒温水浴箱中，设定保温温度为509(TC，保温时间为210天；(3)所得到的沉淀用蒸馏水离心洗涤，再用酒精离心洗涤，烘干蒸发掉残留的酒精，得到粉体；(4)将得到的粉体在35060(TC下煅烧13h后，得到可见光催化剂BiV04。本发明制备所得到的催化剂以粉体形式存在，晶相为单斜晶系白钨矿结构，其形貌为三维连通孔道结构。具体而言，本发明的特点是(1)采用水浴加热法(即恒温水浴箱)制备可见光催化剂BiV04粉体，工艺简单、能耗低。(2)不使用表面活性剂，降低了材料的合成成本。(3)催化剂粉体具有三维连通孔道结构，形貌新颖，并且颗粒小，具有较大的比表面积。(4)对工业染料罗丹明B(RhB)的降解比传统固相法制备的材料的降解率有了大幅度提高。图1是水浴加热制备的三维连通孔结构BiV04的XRD图谱；图2是水浴加热制备的三维连通孔结构BiV04的场发射扫描电镜图；图3是水浴加热制备的三维连通孔结构BiV04的透射电镜图；图4是水浴加热制备的三维连通孔结构BiV04的孔径分布曲线；图5是制备的样品在可见光照射下，RhB的浓度随时间的变化曲线。具体实施例方式为了更好的理解本发明，下面结合实例进一步阐明本发明的内容。实例12.4255g五水硝酸铋(Bi(N03)35H20)溶解于100ml乙二醇(EG)制备成Bi离子浓度为0.05mol*L—1的溶液后，按照Bi:V=1:1加入0.5849g偏钒酸铵(NH4V03)，超声振荡20min，并充分搅拌使其完全溶解。待溶液澄清透明后，转移到恒温水浴箱中于6(TC下保温7天获得絮状沉淀物。将EG清液去除，加蒸馏水洗涤、离心，如此反复5次后，用酒精洗涤、离心2次，将获得的沉淀物在烘箱中烘干。将干燥物于40(TC下煅烧2.5h，获得三维连通孔道结构可见光催化剂BiV(V经过XRD分析(图l)，材料的主相为单斜晶系白钨矿结构的钒酸铋，对应标准卡片JCPDfileNo.01-075-1866。场发射扫描电镜和透射电镜结果，直观的展示了三维连通孔(图2)，以及介孔(图3)的存在，并且颗粒粒径在5080nm，介孔为4050nm。孔径分布曲线(图4)证实了一种大孔/介孔分级结构的存在。光催化活性以降解罗丹明水溶液(RhB)为评价模型。350W氙灯作为光源，加420nm的滤光片，过滤波长小于420nm的光波；催化剂用量50mg，加入到5mg*L—1的RhB溶液100ml中，于黑暗条件下搅拌lh后，持续光照4h，并且每lh取样品点，离心后取清液用紫外_可见分光光度计测试RhB的浓度变化，其降解效果如图5所示，传统的固相烧结法制备的样品作为参比。实例25.7916g五水醋酸铋(Bi(CH3COO)3*5H20)溶解于150ml乙二醇(EG)形成Bi离子浓度为0.lmol*L—1溶液后，按照Bi:V=1:1.5，加入2.6320g偏钒酸铵(NH4V03)，超声振荡20min，并充分搅拌使其溶解。待溶液澄清透明后，转移到恒温水浴箱中于9(TC下保温2天获得絮状沉淀物。将EG清液去除，加蒸馏水洗涤、离心，如此反复5次后，用酒精洗涤、离心2次，将获得的沉淀物在烘箱中烘干。将干燥物于35(TC下煅烧3h，获得三维连通孔道结构可见光催化剂BiV(V实例33.1534g氯化铋(BiCl3)溶解于200ml乙二醇(EG)形成Bi离子浓度为0.5mol.L一1溶液后，按照Bi:V=1:2，加入3.6782g钒酸钠(Na3V04)，超声振荡20min，并充分搅拌使其溶解。待溶液澄清透明后，转移到恒温水浴箱中于8(TC下保温4天获得絮状沉淀物。将EG清液去除，加蒸馏水洗涤、离心，如此反复5次后，用酒精洗涤、离心2次，将获得的沉淀物在烘箱中烘干。将干燥物于50(TC下煅烧1.5h，获得三维连通孔道结构可见光催化剂BiV04。实例47.8835g氯化铋(BiCl3)溶解于100ml乙二醇(EG)形成Bi离子浓度为0.25molL-1溶液后，按照Bi:V=1:0.5，加入1.4623g偏钒酸铵(NH4V03)，超声振荡20min，并充分搅拌使其溶解。待溶液澄清透明后，转移到恒温水浴箱中于5(TC下保温10天获得絮状沉淀物。将EG清液去除，加蒸馏水洗涤、离心，如此反复5次后，用酒精洗涤、离心2次，将获得的沉淀物在烘箱中烘干。将干燥物于60(TC下煅烧lh，获得三维连通孔道结构可见光催化剂BiV(V实例5-18采用表1中各组分及其配比，按照实例1至4所述的制备过程同样可以得到所需的可见光催化剂BiV(V表1<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。权利要求一种可见光催化剂BiVO4，其特征在于，该可见光催化剂BiVO4为粉体，晶相为单斜晶系白钨矿结构，其形貌为三维连通孔道结构。2.—种可见光催化剂BiV04的制备方法，其特征在于，其步骤包括(1)按照铋盐中Bi离子与钒盐中的v离子的摩尔比为i:o.5i:2溶解在乙二醇中，超声、搅拌，制备成Bi离子浓度为0.050.5molL—1的澄清溶液；(2)将所制备的澄清溶液转移到恒温水浴箱中，设定保温温度为509(TC，保温时间为2IO天；(3)所得到的沉淀用蒸馏水离心洗涤，再用酒精离心洗涤，烘干蒸发掉残留的酒精，得到粉体；(4)将得到的粉体在35060(TC下煅烧13h后，得到可见光催化剂BiV04。3.根据权利要求2所述的可见光催化剂BiV04制备方法，其特征在于，步骤(1)中，铋盐为含Bi的硝酸盐、醋酸盐或氯盐，钒盐为含V的钒酸盐。全文摘要本发明公开了一种可见光催化剂BiVO4及其制备方法。BiVO4为粉体，晶相为单斜晶系白钨矿结构，其形貌为三维连通孔道结构。制备方法采用乙二醇作为溶剂，铋盐和钒盐分别作为制备三维连通孔道结构BiVO4的Bi源和V源。将铋盐和钒盐按照Bi/V＝1∶0.5～1∶2的配比溶解到乙二醇中制成Bi离子浓度为0.05～0.5mol·L-1的溶液。形成均匀的澄清溶液后，转移到50～90℃的恒温水浴箱中保温2～10天。在获得絮状沉淀后，离心、洗涤、干燥，最后在空气环境中对所得的粉体在350～600℃下煅烧1～3h即可。本发明不采用任何表面活性剂，在简单的水浴箱中保温以及后期低温热处理即得到结构新颖、比表面积很大的催化剂。该催化剂颗粒较小，具有较高的光催化活性，可以用于可见光催化降解有机污染物。文档编号B01J23/22GK101791548SQ20101015223公开日2010年8月4日申请日期2010年4月22日优先权日2010年4月22日发明者刘宏伟,曾大文,谢长生申请人:华中科技大学