一种纳米棒状非金属掺杂BiPO4光催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种纳米棒状非金属掺杂BiPO4光催化剂及其制备方法和应用，将Bi源、P源和掺杂物质溶于水中，搅拌均匀并调节pH值呈弱酸性，形成前驱体；将前驱体放入微波水热反应釜中，将微波水热反应釜放到微波水热仪中，采用微波水热法进行反应，直至反应完全，反应完成后将生成的沉淀取出，洗涤、干燥，得到纳米棒状非金属掺杂BiPO4光催化剂。本发明专利技术采用微波水热法一步合成纳米棒状非金属掺杂BiPO4光催化剂，其流程少，操作简单，反应时间短，反应条件温和，合成的纳米棒状非金属掺杂BiPO4光催化剂具有较高的光催化活性，达到了对BiPO4进行改性的目的，能够应用于降解环境污染物。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米棒状非金属掺杂BiPO4光催化剂及其制备方法和应用
本专利技术属于功能材料领域，具体涉及一种纳米棒状非金属掺杂BiPO4光催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
当今社会快速发展造成的环境污染已成为人们日益关注的问题，如何解决人类社会所面临的各类污染问题已成为一项重要问题。近年来，光催化氧化技术处理有机污染物由于具备能力强、效率高、无二次污染等优点，在环境研究领域得到学者们的广泛研究。目前，铋系半导体及其无机化合物因其具有很好的光电转换效率和稳定的光化学性能，并有较强的光吸收能力以及对有毒有机污染物显著的氧化能力而受到广泛地关注。BiPO4作为一种含氧酸盐新型光催化剂具有以下特点：(1)磷酸根离子结构稳定性好，容易结晶而不易产生氧空位缺陷；(2)磷酸根离子很难被化学还原，不易被光腐蚀；(3)磷酸根离子拥有较大的负电荷，会产生很大的诱导效应；(4)紫外光照射下具有较高的光催化活性；(5)成本相对较低，环境友好；以上这些优势均预示BiPO4光催化剂是拥有潜力的一类光催化剂。但由于其带隙较宽，对可见光的利用率还不够理想。为此，人们采用多种手段对BiPO4进行改性，例如Huang等人研究了Eu3+和Gd3+掺杂的BiPO4粉体的光催化性能，实验表明Eu3+和Gd3+的掺杂较大地提高了BiPO4粉体的光催化活性，[Huang，H.W.，etal.JournalofMaterialsResearch，2013，28:2977-2984]。Liu等人采用水热法合成了F-BiPO4光催化剂，实验结果表明F掺杂后取代O离子，导致BiPO4的诱导偶极矩增大，引起光生载流子的分离率提高，光催化活性增强，[Liu，Y.F.,etal.AppliedCatalysisB:Environmental，2014,145:851-857]。迄今为止，尚无文献和专利报道过以葡萄糖(C6H12O6)为碳源，迭氮钠(NaN3)为氮源，采用微波水热法制备C/BiPO4和N/BiPO4光催化剂。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种纳米棒状非金属掺杂BiPO4光催化剂及其制备方法和应用，该方法流程少、操作简单、反应时间短、反应条件温和，合成的纳米棒状非金属掺杂BiPO4光催化剂具有较高的光催化活性。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种纳米棒状非金属掺杂BiPO4光催化剂的制备方法，包括以下步骤：步骤1：将Bi源、P源和掺杂物质溶于水中，搅拌均匀并调节pH值呈弱酸性，形成前驱体；其中掺杂物质为C源或N源，Bi元素的物质的量与C元素或N元素的物质的量之和等于P元素的物质的量；步骤2：将前驱体放入微波水热反应釜中，将微波水热反应釜放到微波水热仪中，采用微波水热法进行反应，直至反应完全，反应完成后将生成的沉淀取出，洗涤、干燥，得到纳米棒状非金属掺杂BiPO4光催化剂。所述的Bi源为Bi(NO3)3·5H2O，P源为Na3PO4·12H2O，C源为C6H12O6，N源为NaN3。当掺杂NaN3时，加入的N元素与Bi元素的摩尔比为(3.1～26.6):100；当掺杂C6H12O6时，加入的C元素与Bi元素的摩尔比为(7.5～58.7):100。当掺杂NaN3时，加入的N元素与Bi元素的摩尔比为3.1:100、5.3:100、9.9:100、17.6:100或26.6:100；当掺杂C6H12O6时，加入的C元素与Bi元素的摩尔比为7.5:100、17.6:100、37:100、47.1:100或58.7:100。所述步骤1中用浓度为0.5～1.5mol/L的稀硝酸调节pH值，前驱体中稀硝酸与水的体积比为(2～5):(45～48)。所述前驱体中Na3PO4·12H2O的浓度为0.03～0.08mol/L。所述微波水热法的具体操作为：选择微波控温模式，微波功率为300W，压力为1.8～2MPa，从室温升温至90～110℃，保温8～10min；继续升温至140～160℃，保温8～10min；继续升温至190～210℃，保温50～70min后停止反应。所述步骤1中搅拌均匀所需的时间为20～40min；所述步骤2中微波水热反应釜的填充比为40％-60％，微波水热反应釜的内衬为聚四氟乙烯材质；所述步骤2中的干燥为在70～80℃下干燥10～12h。制得的纳米棒状非金属掺杂BiPO4光催化剂为C掺杂BiPO4光催化剂或N掺杂BiPO4光催化剂，其形貌均为纳米棒状结构，晶型均为单斜相独居石结构。制得的纳米棒状非金属掺杂BiPO4光催化剂在降解环境污染物和有机物方面的应用。相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提供的纳米棒状非金属掺杂BiPO4光催化剂的制备方法，将Bi源、P源和掺杂物质溶于水中，水热合成BiPO4，并在水热合成的过程中直接对BiPO4进行非金属元素掺杂，将非金属元素引入BiPO4中，制备出纳米棒状非金属掺杂BiPO4光催化剂，提高了纯BiPO4在紫外光下光催化降解有机物的效率。本专利技术采用的微波水热法结合了微波独特的加热特性和水热法的优点，不需要添加其它添加剂，一步合成目标产物，流程少、操作简单、反应速度快、合成时间短、反应条件温和、反应效率高、环境友好、工艺简单易控、制备周期短、节省能源，合成的纳米棒状非金属掺杂BiPO4光催化剂具有较高的光催化活性，达到了对BiPO4进行改性的目的。本专利技术提供的纳米棒状非金属掺杂BiPO4光催化剂，其主要成分为BiPO4，且BiPO4中部分Bi被N或C取代，从而形成非金属掺杂BiPO4光催化剂。本专利技术提供的纳米棒状非金属掺杂BiPO4光催化剂的形貌为纳米棒状结构，晶型为单斜相独居石结构，形貌规整、纯度较高，具有较高的光催化活性，其紫外光下的光催化活性明显高于相同条件下未掺杂的BiPO4的光催化活性，改善了纯相BiPO4催化效率低的问题，能够应用于降解环境污染物及有机物，具有良好的应用前景。附图说明图1是本专利技术实施例3制备的C掺杂BiPO4光催化剂的FE-SEM图；图2是本专利技术实施例9制备的N掺杂BiPO4光催化剂的FE-SEM图；图3是本专利技术制备的C掺杂BiPO4光催化剂的XRD图；其中a为未掺杂的BiPO4粉体的XRD图，b～f分别为实施例1～5制得的C掺杂BiPO4光催化剂的XRD图；图4是本专利技术制备的N掺杂BiPO4光催化剂的XRD图；其中g为未掺杂的BiPO4粉体的XRD图，h～l分别为实施例6～10制得的N掺杂BiPO4光催化剂的XRD图；图5是本专利技术制备的C掺杂BiPO4光催化剂的紫外光光催化性能图；其中a为未掺杂的BiPO4粉体的紫外光光催化性能图，b～f分别为实施例1～5制得的C掺杂BiPO4光催化剂的紫外光光催化性能图，RhB为不加催化剂时罗丹明B自身的降解曲线；图6是本专利技术制备的N掺杂BiPO4光催化剂的紫外光光催化性能图；其中g为未掺杂的BiPO4粉体的紫外光光催化性能图，h～l分别为实施例6～10制得的N掺杂BiPO4光催化剂的紫外光光催化性能图，RhB为不加催化剂时罗丹明B自身的降解曲线。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术提供的纳米棒状非金属掺杂BiPO4光催化剂，其主要成分为BiPO4，且BiPO4中部分Bi被N或C取代，从而形成非本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米棒状非金属掺杂BiPO4光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将Bi源、P源和掺杂物质溶于水中，搅拌均匀并调节pH值呈弱酸性，形成前驱体；其中掺杂物质为C源或N源，Bi元素的物质的量与C元素或N元素的物质的量之和等于P元素的物质的量；步骤2：将前驱体放入微波水热反应釜中，将微波水热反应釜放到微波水热仪中，采用微波水热法进行反应，直至反应完全，反应完成后将生成的沉淀取出，洗涤、干燥，得到纳米棒状非金属掺杂BiPO4光催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种纳米棒状非金属掺杂BiPO4光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将Bi源、P源和掺杂物质溶于水中，搅拌均匀，并用浓度为0.5～1.5mol/L的稀硝酸调节pH值呈弱酸性，形成前驱体，前驱体中稀硝酸与水的体积比为(2～5):(45～48)；其中掺杂物质为C源或N源，Bi元素的物质的量与C元素或N元素的物质的量之和等于P元素的物质的量；所述的Bi源为Bi(NO3)3·5H2O，P源为Na3PO4·12H2O，C源为C6H12O6，N源为NaN3；当掺杂NaN3时，加入的N元素与Bi元素的摩尔比为(3.1～26.6):100；当掺杂C6H12O6时，加入的C元素与Bi元素的摩尔比为(7.5～58.7):100；步骤2：将前驱体放入微波水热反应釜中，将微波水热反应釜放到微波水热仪中，采用微波水热法进行反应，直至反应完全，反应完成后将生成的沉淀取出，洗涤、干燥，得到纳米棒状非金属掺杂BiPO4光催化剂；其中微波水热法的具体操作为：选择微波控温模式，微波功率为300W，压力为1.8～2MPa，从室温升温至90～110℃，保温8～10min；继续升温至140～160℃，保温8～10min；继续升温至190～210℃，保温50～70min后停止反应。2.根据权利要求1所述的纳米棒状非金属掺杂BiPO4光催化剂...

【专利技术属性】
技术研发人员：谈国强，折辽娜，任慧君，夏傲，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61