一种多孔网状结构BiVO4薄膜及其制备方法技术

一种多孔网状结构BiVO4薄膜及其制备方法，将NH4VO3和Bi(NO3)3·5H2O先后溶解于中，以稀硝酸调节pH值，以硼酸为促进剂，制成前驱液，将基板在紫外光照射下形成羟基单分子层，然后将基板羟基面悬浮于前驱液表面吸附前驱液中的[(BiVO3)2+NO3‑]+，异相成核自组装形成多孔网状非晶态的前驱薄膜；再将前驱薄膜进行紫外光辐照形成羟基层，然后悬浮于前驱液表面进行自组装吸附，如此多次层层自组装制备出具有一定厚度的非晶态薄膜，最后进行晶化处理即可。本发明专利技术工艺简单，实验条件要求较低，通过多次层层自组装得到具有多孔网状结构和可见光响应的BiVO4薄膜，在光催化领域具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于功能材料领域，涉及一种通过分子识别吸附的层层自组装技术制备薄膜的方法，具体涉及一种多孔网状结构BiVO4薄膜及其制备方法。
技术介绍
近些年来，环境问题和能源危机已经让人类感到自身生存的危机感，全球气候变暖，水污染，能源枯竭等问题正时刻威胁着我们的健康以及生存空间。在各类环境污染中，最常见、最严重和影响最大的是化学污染。目前人们使用的具有代表性的处理化学污染的方法主要有：物理法、化学法、生物法和高温焚烧法等。这些方法对环境的维护和治理都起着一定作用，但都不同程度地存在着技术应用缺陷。然而，随着社会的发展以及科学研究的不断深入，人们发现一些半导体能够在光照条件下物质表面能够受激活化，有效地氧化分解有机物、还原重金属离子，从而展现出良好的光催化效果。因此，利用光催化剂降解有机污染物中有毒有害物质以其高效清洁、成本低廉及使用设备简单等优势逐渐成为治理环境污染技术中的主流趋势之一。BiVO4作为一种新型的可见光响应型光催化剂，被广泛地应用于光催化领域，并被认定是最有研究前景的光催化材料之一。因为BiVO4的基本组成元素Bi和V来源成本低，并且它的价带宽度为2.4eV左右，在可见光区域有很好的光吸收，能提高太阳光的利用率。且BiVO4价带的位置比氧气的氧化还原电位更正，能有效的光解水产氧。此外，BiVO4的电子和空穴的有效质量较轻，到达材料表面反应活性位点的几率高。因此，BiVO4在有机污染物降解和光解水产氧方面表现出优异的性能。由于BiVO4粉体存在着在水中易凝聚、失去活性、且使光的穿透力受阻，难于分离和回收以及不适用于连续流体体系等问题，因而BiVO4薄膜的光催化
研究引起了各国科学家的注意。在BiVO4薄膜的制备方法方面，目前主要有以下几种方法：脉冲激光沉积法、化学溶液沉积法、喷涂热分解法、化学溶胶凝胶法等。虽然这些方法在制备薄膜方面存在着一定优势，但存在薄膜结构致密不利于光催化降解，重复性不高，环境污染大，与基板结合程度不牢固等缺点，或多或少的存在着无法兼顾“清洁、节能、高效制备BiVO4光催化薄膜”这一理念。自组装单层膜(self-assembled monolayers，SAMs)技术是一个借鉴于仿生学的新型成膜技术。通过短波紫外光辐照在基底界面上自发形成的有序的单分子羟基吸附层。形成的羟基吸附层在空气中自发通过化学键牢固地吸附在基板上所形成的超薄羟基膜，因此它具有原位自发形成、成键高度有序排列、缺陷少、结合力强、呈“结晶态”等特点。由于羟基吸附层制备方法简单、成膜效果好、稳定性强、膜层厚度超薄，因此在异相成核诱导无机材料薄膜制备方面刚刚开始应用。目前还未见有采用自组装单层膜技术制备BiVO4薄膜的相关报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种多孔网状结构BiVO4薄膜及其制备方法，采用自组装单层膜技术制备出四方相德钒矿和单斜相白钨矿复合BiVO4薄膜，该方法实验条件要求较低，得到的BiVO4薄膜具有多孔网状结构，并且观察到BiVO4薄膜具有光响应特性。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种多孔网状结构BiVO4薄膜的制备方法，包括以下步骤：1)前驱液的配置：向去离子水中加入NH4VO3，搅拌至澄清，然后加入稀硝酸，搅拌均匀，再加入Bi(NO3)3·5H2O，室温下搅拌至澄清，最后加入硼酸，继续搅拌至澄清，得到前驱液；其中加
入的NH4VO3、稀硝酸、Bi(NO3)3·5H2O和硼酸的摩尔比为1:(40～44):1:(0.8～1.2)，前驱液中Bi离子的浓度为0.008～0.012mol/L；2)基板的功能化：将基板洗涤干净后置于紫外光下照射，使基板表面形成羟基单分子层，得到表面吸附羟基层的基板；3)薄膜的自组装：将表面吸附羟基层的基板的羟基层一面悬浮于前驱液表面进行自组装吸附，利用基板表面羟基层的静电作用吸附前驱液中的小分子[(BiVO3)2+NO3-]+，然后异相成核自组装形成多孔网状非晶态的[(BiVO3)2+NO3-]+OH-前驱薄膜；4)薄膜的层层自组装：将多孔网状非晶态的[(BiVO3)2+NO3-]+OH-前驱薄膜在室温下干燥后用紫外光进行照射，使[(BiVO3)2+NO3-]+OH-前驱薄膜表面形成羟基单分子层，即形成基板-OH[(BiVO3)2+NO3-]OH-，然后将其悬浮于前驱液表面进行自组装吸附，利用羟基层的静电作用吸附前驱液中的小分子[(BiVO3)2+NO3-]+，然后异相成核自组装形成基板-OH[(BiVO3)2+NO3-]OH-[(BiVO3)2+NO3-]+；如此反复多次进行薄膜的层层自组装，得到多孔网状非晶态薄膜；5)薄膜的晶化：将多孔网状非晶态薄膜在室温下干燥后放入马弗炉中，在300～400℃下保温120～180min，得到多孔网状结构BiVO4薄膜。所述步骤2)中的基板为FTO导电玻璃、ITO导电玻璃、玻璃载玻片或Si基板。所述步骤2)和步骤4)中紫外光照射的时间为30～40min，紫外光的波长为184.9nm。所述步骤3)和步骤4)中在进行自组装吸附时，控制前驱液的温度为65～75℃。所述步骤3)和步骤4)中自组装吸附的时间为18～22min。所述步骤4)和步骤5)中的干燥时间为6～8h。所述的多孔网状结构BiVO4薄膜的制备方法制得的多孔网状结构BiVO4薄膜，其晶型为四方相德钒矿和单斜相白钨矿的复合晶型，其形貌为多孔网状结构。相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提供的多孔网状结构BiVO4薄膜的制备方法，主要利用羟基层静电吸附作用的层层自组装技术，首先将NH4VO3和Bi(NO3)3·5H2O先后溶解于去离子水中，以稀硝酸调节pH值，以硼酸为促进剂，制成前驱液；将基板在紫外光照射下表面形成羟基单分子层，将基板的羟基层面悬浮于前驱液表面，利用基板表面羟基层的静电作用吸附前驱液中的小分子[(BiVO3)2+NO3-]+，异相成核自组装形成多孔网状非晶态的[(BiVO3)2+NO3-]+OH-前驱薄膜；然后将[(BiVO3)2+NO3-]+OH-前驱薄膜进行紫外光辐照，使其表面形成羟基层，形成基板-OH[(BiVO3)2+NO3-]OH-，然后将其悬浮于前驱液表面进行自组装吸附，形成基板-OH[(BiVO3)2+NO3-]OH-[(BiVO3)2+NO3-]+，如此多次层层自组装制备出具有一定厚度的多孔网状非晶态薄膜，再经晶化处理即得到本专利技术的多孔网状结构BiVO4薄膜。本专利技术提供了利用反向吸附层层自组装技术制备具有多孔网状结构的钒酸铋薄膜的方法，自组装技术是一个借鉴于仿生学的新型成膜技术，通过短波紫外光辐照在基底界面上自发形成的有序的单分子羟基吸附层，形成的羟基吸附层在空气中自发通过化学键牢固地吸附在基板上所形成的超薄羟基膜，因此它具有原位自发形成、成键高度有序排列、缺陷少、结合力强、呈“结晶态”等特点，它具有制备方法简单、成膜效果好、稳定性强、膜层厚度超薄等优点。本专利技术在紫外照射及自组装过程中，紫外照射只能照射在多孔网状结构的前驱薄膜的网状结构表面，多孔内部无法照射到紫外光，因此孔内部无法形成基板-OH[(BiVO3)2+NO3-]OH-，即孔内部无法形成羟基层，后期孔内部无法形成吸附溶液中[本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多孔网状结构BiVO4薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)前驱液的配置：向去离子水中加入NH4VO3，搅拌至澄清，然后加入稀硝酸，搅拌均匀，再加入Bi(NO3)3·5H2O，室温下搅拌至澄清，最后加入硼酸，继续搅拌至澄清，得到前驱液；其中加入的NH4VO3、稀硝酸、Bi(NO3)3·5H2O和硼酸的摩尔比为1:(40～44):1:(0.8～1.2)，前驱液中Bi离子的浓度为0.008～0.012mol/L；2)基板的功能化：将基板洗涤干净后置于紫外光下照射，使基板表面形成羟基单分子层，得到表面吸附羟基层的基板；3)薄膜的自组装：将表面吸附羟基层的基板的羟基层一面悬浮于前驱液表面进行自组装吸附，利用基板表面羟基层的静电作用吸附前驱液中的小分子[(BiVO3)2+NO3‑]+，然后异相成核自组装形成多孔网状非晶态的[(BiVO3)2+NO3‑]+OH‑前驱薄膜；4)薄膜的层层自组装：将多孔网状非晶态的[(BiVO3)2+NO3‑]+OH‑前驱薄膜在室温下干燥后用紫外光进行照射，使[(BiVO3)2+NO3‑]+OH‑前驱薄膜表面形成羟基单分子层，即形成基板‑OH[(BiVO3)2+NO3‑]OH‑，然后将其悬浮于前驱液表面进行自组装吸附，利用羟基层的静电作用吸附前驱液中的小分子[(BiVO3)2+NO3‑]+，然后异相成核自组装形成基板‑OH[(BiVO3)2+NO3‑]OH‑[(BiVO3)2+NO3‑]+；如此反复多次进行薄膜的层层自组装，得到多孔网状非晶态薄膜；5)薄膜的晶化：将多孔网状非晶态薄膜在室温下干燥后放入马弗炉中，在300～400℃下保温120～180min，得到多孔网状结构BiVO4薄膜。...

【技术特征摘要】
1.一种多孔网状结构BiVO4薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)前驱液的配置：向去离子水中加入NH4VO3，搅拌至澄清，然后加入稀硝酸，搅拌均匀，再加入Bi(NO3)3·5H2O，室温下搅拌至澄清，最后加入硼酸，继续搅拌至澄清，得到前驱液；其中加入的NH4VO3、稀硝酸、Bi(NO3)3·5H2O和硼酸的摩尔比为1:(40～44):1:(0.8～1.2)，前驱液中Bi离子的浓度为0.008～0.012mol/L；2)基板的功能化：将基板洗涤干净后置于紫外光下照射，使基板表面形成羟基单分子层，得到表面吸附羟基层的基板；3)薄膜的自组装：将表面吸附羟基层的基板的羟基层一面悬浮于前驱液表面进行自组装吸附，利用基板表面羟基层的静电作用吸附前驱液中的小分子[(BiVO3)2+NO3-]+，然后异相成核自组装形成多孔网状非晶态的[(BiVO3)2+NO3-]+OH-前驱薄膜；4)薄膜的层层自组装：将多孔网状非晶态的[(BiVO3)2+NO3-]+OH-前驱薄膜在室温下干燥后用紫外光进行照射，使[(BiVO3)2+NO3-]+OH-前驱薄膜表面形成羟基单分子层，即形成基板-OH[(BiVO3)2+NO3-]OH-，然后将其悬浮于前驱液表面进行自组装吸附，利用羟基层的静电作用吸附前驱液中的小分子[(BiVO3)2+NO3-]+，然后异相成核自组装形成基板-O...

【专利技术属性】
技术研发人员：谈国强，许驰，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