光催化剂钒酸铋纳米纤维及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明属于光催化剂技术，更具体地说，涉及纳米纤维的新型光催化剂钒酸铋及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002]自从太阳能清洁能源的使用得到广泛关注以来，可见光催化剂的发展就得到越来越多的重视。因此，寻找一种具有更高光催化活性且能够在日常生活中具有较大使用价值的光催化剂成为当今世界上光催化剂发展的一个重要方向。目前，二氧化钛光催化剂被认为是一种具有良好光催化性能的光催化剂，其在光解有机污染物和太阳能电池领域已经取得良好的应用。然而由于其仅能在紫外光区域下才具有光催化活性，故增加了其应用的局限性。钒酸铋是一种新型的可见光催化剂，其不仅在紫外光区域中拥有良好地光催化活性，而且在可见光下能够发生光催化反应。但其也拥有诸多缺点，因为钒酸铋的导带较低，其不能满足可见光水解反应中H+的还原电位，因为钒酸铋在光催化反应中电子与空穴结合速率快，电子传输速度较慢，从而影响了钒酸铋的光催化活性。如果将钒酸铋光催化剂做成纳米纤维结构，增加钒酸铋光催化剂的比表面积和减小钒酸铋颗粒尺寸能有效解决上述问题。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于克服现有技术的不足，克服已有钒酸铋光催化剂的粉体或者纤维状形貌的不足，提供一种钒酸铋纳米纤维催化剂及其制备方法，该催化剂具有优异的光催化性能，适合应用于有机物的光解，且其制备方法过程简单。
[0004]本发明的目的通过下述技术方案予以实现:
[0005]光催化剂钒酸铋纳米纤维及其制备方法，按照下述步骤进行:
[0006]第一步，利用溶胶法制备钒酸铋溶胶，具体来说需要:
[0007]首先按照钒酸铋(化学式为BiVO4)化学计量比的要求，取硝酸铋(或者Bi(NO3)3.6H20)、偏钒酸铵(NH4VO3),溶解在稀硝酸中，形成橙黄色的均一溶液，所述稀硝酸为5ml体积百分比为60%的浓硝酸溶解在25ml的去离子水中混合均匀形成。
[0008]然后向溶液中加入助纺剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)增加溶液的黏度，直至所得溶液达到具有可纺性溶胶为止，例如将选用的稀硝酸作为溶剂，向体系中添加PVP，所述溶剂体积(ml)和PVP质量(g)为等比例，即30ml稀硝酸添加30gPVP ;充分搅拌均匀得黄色溶胶体系，室温20— 25°C搅拌反应时间为2天。
[0009]第二步，将所得钒酸铋溶胶加入到已固定在针管泵上的针管(针管直径为3cm)中，将针管泵的流速调整为I?5ml/h，在针管和收集板之间加一高压电源(电压值为15?18kV)，针尖与收集板之间的距离为13?17cm，开始进行电纺操作。将电纺所得的凝胶纤维收集在坩埚中，按照2°C /min的速率进行焙烧，升温至400?550°C恒温2?3h，随炉温冷却至室温，可得到钒酸铋的纳米纤维。
[0010]对本发明制备的钒酸铋光催化剂，具有骨架结构且为短程纳米纤维，拥有很大的比表面积，采用美国Quanta Chrome N0VA-2000型比表面积仪进行比表面积的测定为5 — 8m2/g。根据附图显示的扫描电子显微镜(将制备好的样品利用荷兰Phlilps公司的XL30ESEM冷场发射扫描电子显微镜观察不同情况下的样品的形貌)照片可知:
[0011]从附图3中可以看到，经过电纺过程后，钒酸铋凝胶纤维直径为I?2μπι表面光滑且具有很长连续性。
[0012]从附图4中可以看到，经过400°C高温焙烧后，钒酸铋凝胶纤维的形貌发生了很大变化，其原本光滑连续的纤维变成了具有骨架结构的短程钒酸铋纤维。形成这种形貌的原因是由于高温下，有机物的分解以及钒酸铋晶体的长大，使得原本光滑的钒酸铋凝胶纤维中大量有机物的分解和生成钒酸铋的颗粒发生缔合从而导致了骨架结构的产生。
[0013]从附图5可以看到，经过450°C高温焙烧后，钒酸铋纳米纤维的结构。
[0014]从附图6可以看到，经过500°C高温焙烧后，钒酸铋纳米纤维的结构。
[0015]从附图7可以看到，经过550°C高温焙烧后，钒酸铋纳米纤维的结构。
[0016]通过以上不同温度下钒酸铋焙烧纳米纤维图片可以得出，随着温度的升高，钒酸铋纳米纤维的骨架结构越来越明显，这会使所得钒酸铋纳米纤维的比表面积得到增大。
[0017]本发明的钒酸铋光催化剂进行拉曼和XRD测试其结构，结果如附图1和2所示:
[0018]拉曼光谱(Laman)采用美国热电公司的拉曼光谱仪测定(Thermal ElectronCorporat1n, DXR Microscope),扫描范围50?lOOOcnT1。从拉曼谱图(附图1)中可知，高温热解后得到的钒酸铋光催化剂形成具有最佳光催化性能的单斜白钨矿结构。其中出现在21cm^1,328cm_1,370cm_1,71cm^1和824CHT1处的吸收峰是钒酸铋化学键的特征振动峰。
[0019]XRD采用日本理学的Rigaku D/max 2500v/pc形衍射仪，以Cu/K-alphal射线为光源进行测定。靶为铜靶，2 Θ测角范围为10?80°，扫描速度为8° /min，测试样品均为粉末。对产物研成粉末后进行XRD表征，从附图2中可知，热解后得到的钒酸铋光催化剂形成了纯度相当高的单斜白钨矿钒酸铋结构。此外谱图中衍射峰很尖锐且背底较少，表明所形成的晶格结构稳定。通过PDF卡片对比，出现在18.5°、35°、46°、的分裂峰为单斜白钨矿的钒酸铋特征峰。
[0020]以亚甲基蓝作为光解有机物，300W氙光灯作为光源，使用420nm的滤波片将光源中的紫外光进行过滤形成可见光源进行光降解实验。在250ml烧杯中配制20mg/l的亚甲基蓝溶液100ml，再向溶液中加入0.0lOg的光催化剂开始光解实验。实验中，先将烧杯移至暗箱中进行30分钟暗反应，使溶液中的光催化剂与亚甲基蓝得到吸附脱附平衡，这段时间每隔15分钟取样一次。再将烧杯移至光源下，剧烈搅拌每隔20分钟取样一次，直到100分钟。所取样品放置在紫外分光光度计中，将所测光度波长调整为630nm(亚甲基蓝的吸收波长)测其吸收值。初始浓度为1，其余样品为其光度与初始光度比值，即浓度比。由Y轴代表溶液中亚甲基蓝的浓度比(溶液中亚甲基蓝的浓度与初始浓度的比值)，X轴代表时间作图，可得光催化曲线。紫外分光光度计采用岛津公司的shimadzu-UV-Vis-3600紫外可见近红外分光光度计。
[0021]从光催化曲线可知在所有制备的样品中焙烧温度为450°C，500°C，550°C钒酸铋的样品催化活性最高，究其原因是由于在高温情况下，凝胶纤维中的有机物分解较为完全，且有机物模板的去除导致所合成的钒酸铋纳米纤维中存在大量的孔洞，增加了其比表面积从而提高了钒酸铋的光催化效率。
[0022]与现有技术相比，本发明的优点在于制备成本低，制备方法过程简单；所制的钒酸铋光催化剂比表面积大，孔结构丰富，且具有较高的光催化活性。
【附图说明】