基于单相钛酸铋制备的光催化剂纳米复合材料制造技术

本发明专利技术公开一种基于单相钛酸铋(Bi20TiO32)制备的光催化剂纳米复合材料，是在用超临界法制备Bi20TiO32过程中加入少量石墨烯一同反应，使反应形成的Bi20TiO32均匀的分散在石墨烯片上，这有利于反应物和产物的扩散，进而有利于光催化性能的提高，最后经焙烧晶化形成石墨烯‑Bi20TiO32纳米复合材料。本发明专利技术制备过程反应条件温和、实现成本较低，且制备得到的光催化剂纳米复合材料的光催化性能优于单相钛酸铋，具有广泛的运用前景。

【技术实现步骤摘要】
本申请是对申请日2014年11月20的中国专利申请CN2014106737473(基于单相钛酸铋制备的光催化剂纳米复合材料)做出的分案申请。
本专利技术涉及光催化技术，尤其是涉及一种基于单相钛酸铋制备的光催化剂纳米复合材料。
技术介绍
Bi和Ti都是因廉价无毒被称为“绿色金属”，Bi2Q3和TiQ2复合可形成具有多种晶相结构的符合氧化物。钛酸铋系列是一种典型的Aurivillius层状材料，它的晶型主要包括：Bi4Ti3O12、Bi2Ti2O7、Bi12TiO20、Bi20TiO32等。已有研究表明分子式为Bi20TiO32的单相钛酸铋纳米材料可用作可见光响应的光催化降解污染物。Bi20TiO32是具有光催化活性的钛酸铋系列材料的一种，它能够满足在太阳光下仍具有高的光催化性能这一要求，并且该材料本身无毒无害，符合新型环境友好型光催化材料的要求。但是，单相Bi20TiO32作为光催化剂具有如下缺陷：1、在一般条件下，单相Bi20TiO32处于一种亚稳态，它只在钛铋混合氧化物向Bi2Ti2O7晶型转化的过程中出现，通过查阅Bi2O3-TiO2系统的相图可知，在通常情况下Bi20TiO32处于亚稳态，它在温度低于400℃的条件下是不能形成的。现有方法中的合成温度较高，由于单相Bi20TiO32合成条件苛刻及其亚稳定性，目前除了高温淬火法以外，还没有其他在温和条件下合成出具有较高太阳光催化活性的单相Bi20TiO32纳米光催化材料的报道。2、单相Bi20TiO32纳米光催化材料因光生电荷的复合几率较高，导致其光催化活性性能并不高。为此，如何进一步提高钛酸铋光生载流子的分离效率进而改善其光催化性能，已成为当前亟需研究的技术难题之一。
技术实现思路
为克服现有技术的缺陷，本专利技术提出一种基于单相钛酸铋(Bi20TiO32)制备的光催化剂纳米复合材料，制备过程反应条件温和、实现成本较低，且制备得到的光催化剂纳米复合材料的光催化性能优于单相钛酸铋(Bi20TiO32)。本专利技术采用如下技术方案实现：基于单相钛酸铋制备的光催化剂纳米复合材料，是在用超临界法制备Bi20TiO32过程中加入少量石墨烯一同反应，使反应形成的Bi20TiO32均匀的分散在石墨烯片上，最后经焙烧晶化形成石墨烯-Bi20TiO32纳米复合材料。在一个实施例中，该光催化剂纳米复合材由如下步骤制备：将可溶性铋盐加入到羧酸中，使铋/羧酸摩尔比为1：50-70，搅拌至铋盐完全溶解后加入钛酸酯，使钛/铋的摩尔比为1：8-13，再加入结构导向剂，使铋/结构导向剂的摩尔比为1：3-4.5，搅拌均匀后加入尿素，使铋/尿素的摩尔比为1：0.5-3，得第一混合溶液；将第一混合溶液注入到醇溶剂中，醇溶剂体积为25-45mL每克可溶性铋盐原料，并在每100ml醇溶剂中加入0.5～2g的石墨烯，混合均匀后转移至高压反应釜中，通入8～12bar氮气，在其保护下加热至200-250℃保持2-6h，使铋盐完全水解或醇解，然后打开放气阀门排出溶剂得到干燥的前驱体；将前驱体依次用乙醇和去离子水洗涤多次，干燥后在300-400℃下焙烧晶化4-6h，冷却即得光催化剂石墨烯-Bi20TiO32纳米复合材料。其中，所述可溶性铋盐为硝酸铋、氯化铋和硫酸铋中的一种或这三种的任意比例混合物。其中，所述钛酸酯为钛酸四丁酯或钛酸异丙酯，或这两种的任意比例混合物。其中，所述结构导向剂为叔丁醇、苯甲醇、苯乙醇和对硝基苯甲醇中的一种或这四种的任意比例混合物。其中，醇溶剂为甲醇、乙醇和丙醇中的一种或这三种的任意比例混合物。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术光催化剂纳米复合材料是在用超临界法制备Bi20TiO32过程中加入少量石墨烯一同反应，使反应形成的Bi20TiO32均匀的分散在石墨烯片上，这有利于反应物和产物的扩散，进而有利于光催化性能的提高，最后经焙烧晶化形成石墨烯-Bi20TiO32纳米复合材料。由于本专利技术制备的光催化剂石墨烯-Bi12TiO20纳米复合材料具有很大的表面积以及较高的孔隙率，从而提高了石墨烯-Bi12TiO20纳米复合材料对被降解污染物分子的预吸附能力，同时，也形成了很大的扩散通道，在单次或多次循环使用过程中可以抑制污染物对空隙的堵塞，避免了石墨烯-Bi12TiO20纳米复合材料的失活，从而可以保持较高的光催化活性和稳定性。另外，石墨烯-Bi12TiO20纳米复合材料的光催化性能提高源于光生电荷的有效分离和传输，通过在合成单相Bi12TiO20的过程中加入少量石墨烯，从而反应形成石墨烯-Bi12TiO20纳米复合材料，该石墨烯-Bi12TiO20纳米复合材料在石墨烯与Bi12TiO20两者之间形成了紧密耦合的界面，从而构筑起了良好的电子传输通道，利于光生电子的传输，进而提高光生载流子的分离效率，从而相比单相Bi12TiO20具有更佳的光催化性能。本专利技术拓宽了单相Bi12TiO20在光催化领域的应用，具有广泛的运用前景。附图说明图1是Bi20TiO32及石墨烯-Bi20TiO32的XRD示意图。具体实施方式本申请所指单相钛酸铋即的分子式为Bi20TiO32，故在本申请的上下文中提到的“单相钛酸铋”、“单相Bi20TiO32”及“Bi20TiO32”均含义相同。本专利技术提出一种基于单相钛酸铋制备的光催化剂纳米复合材料，制备过程反应条件温和、实现成本较低，且制备得到的光催化剂纳米复合材料的光催化性能优于单相钛酸铋。本专利技术光催化剂纳米复合材料是在用超临界法制备Bi20TiO32过程中加入少量石墨烯一同反应，使反应形成的Bi20TiO32均匀的分散在石墨烯片上，这有利于反应物和产物的扩散，进而有利于光催化性能的提高，最后经焙烧晶化形成石墨烯-Bi20TiO32纳米复合材料。具体制备如下：①原料的配制：将可溶性铋盐加入到小分子量羧酸中，使铋/羧酸摩尔比为1：50-70，不断搅拌至铋盐完全溶解，再向溶液中逐滴加入钛酸酯，使钛/铋摩尔比为1：8-13，继续搅拌至澄清后向其中加入分子量较大的醇作为结构导向剂，使铋/醇摩尔比为1：3-4.5，搅拌均匀后可以向其中加入尿素，使铋/尿素摩尔比为1：0.5-3，搅拌至澄清透明，得第一混合溶液；②超临界反应：将步骤①所得第一混合溶液注入到分子量较小的醇溶剂中，溶剂体积为25-45mL每克可溶性铋盐原料，并在每100ml溶剂中加入0.5～2g的石墨烯，混合均匀后转移至高压反应釜中，通入8～12bar氮气，在其保护下加热至200-250℃保持2-6h，使铋盐完全水解或醇解，然后打开放气阀门排出溶剂得到干燥的前驱体；③晶化成形：将步骤②制得的前驱体依次用乙醇和去离子水洗涤多次，干燥后在300-400℃下焙烧晶化4-6h，冷却至室温后取出即得光催化剂石墨烯-Bi20TiO32纳米复合材料。以上步骤中可溶性铋盐为硝酸铋、氯化铋或硫酸铋等，小分子量羧酸为甲酸、乙酸或丙酸等，钛酸酯为钛酸四丁酯或钛酸异丙酯等，分子量较大的醇为叔丁醇、苯甲醇、苯乙醇或对硝基苯甲醇等，分子量较小的醇为甲醇、乙醇或丙醇等。其中，小分子量羧酸为主要溶剂，它能够使钛酸酯和铋盐的水解过程减缓并相互抑制，使所得到的溶液稳定并澄清，所加入的尿素可以调节产物的形貌进而影响其光催化性能本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于单相钛酸铋制备的光催化剂纳米复合材料，其特征在于，在用超临界法制备Bi20TiO32过程中加入少量石墨烯一同反应，使反应形成的Bi20TiO32均匀的分散在石墨烯片上，最后经焙烧晶化形成石墨烯‑Bi20TiO32纳米复合材料。

【技术特征摘要】
1.基于单相钛酸铋制备的光催化剂纳米复合材料，其特征在于，在用超临界法制备Bi20TiO32过程中加入少量石墨烯一同反应，使反应形成的Bi20TiO32均匀的分散在石墨烯片上，最后经焙烧晶化形成石墨烯-Bi20TiO32纳米复合材料。2.根据权利要求1所述一种石墨烯-钛酸铋复合材料的光催化剂，其特征在于，该光催化剂纳米复合材由如下步骤制备：将可溶性铋盐加入到羧酸中，使铋/羧酸摩尔比为1：50-70，搅拌至铋盐完全溶解后加入钛酸酯，使钛/铋的摩尔比为1：8-13，再加入结构导向剂，使铋/结构导向剂的摩尔比为1：3-4.5，搅拌均匀后加入尿素，使铋/尿素的摩尔比为1：0.5-3，得第一混合溶液；将第一混合溶液注入到醇溶剂中，醇溶剂体积为25-45mL每克可溶性铋盐原料，并在每100ml醇溶剂中加入0.5～2g的石墨烯，混合均匀后转移至高压反应釜中，通入8～12bar氮气，在其保护下加热...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊菊莲，
申请(专利权)人：熊菊莲，
类型：发明
国别省市：广东;44