一种α/β‑氧化铋相异质结光催化剂及其制法和用途制造技术

本发明专利技术提供了一种α/β‑Bi

【技术实现步骤摘要】
一种α/β-氧化铋相异质结光催化剂及其制法和用途
本专利技术属于光催化领域，具体涉及一种α/β-Bi2O3相异质结光催化剂的制备方法及其用途。
技术介绍
光催化技术具有效率高、成本低、无二次污染、操作简便等优点。以半导体作为光催化剂，利用太阳光作为光源，光催化降解空气与水环境中的有机污染物及无机污染物，早已引起了人们的广泛重视。现今广泛使用的半导体光催化剂主要是过渡金属氧化物，如TiO2、ZnO、Fe2O3等，其中TiO2因其优异的光电性能而被广泛研究。然而，TiO2仍然具有两个缺陷限制了它的实际应用：（1）TiO2禁带宽度为3.2eV，只能吸收波长为387nm以下的紫外光，而紫外光仅占太阳光总能量的5%左右，因此TiO2不能有效利用太阳能；（2）TiO2的光生电子与空穴容易再结合，光量子效率极低，导致其光催化活性较低。虽然人们尝试通过各种掺杂、敏化或复合的方法对TiO2进行改性，以提高其在可见光下的光催化活性，但长期以来难有突破性进展。因此，开发可见光响应、光催化活性高的新型光催化材料成为了一个重要的发展趋势。近年来,具有可见光活性的铋系光催化剂引起了人们的广泛关注。Bi2O3是一种常见的铋系半导体功能材料,广泛应用于催化、光学涂层、固体燃料电池、气体传感器和玻璃制造等领域。Bi2O3具有α，β，γ和δ等多种晶型，属于间接带隙半导体,禁带宽度为2.6-2.9eV。Bi2O3在水中受到能量高于其带隙能的光照射时,会产生导带电子和价带空穴,它们分别与O2和H2O等反应产生具有氧化活性的自由基,如•O2-和•OH等,这些自由基可与光催化剂表面吸附的有机污染物发生氧化还原反应,使其降解。利用Bi2O3进行光催化处理污水非常具有研究价值。然而，单一的Bi2O3仍然存在以下问题：光生电子与空穴容易再结合、光催化活性较低。为了进一步提高光催化剂的活性，人们通过构建异质结等方法抑制电子与空穴的再结合、拓展光催化剂对光的吸收范围，从而提高催化剂的活性。如β-Bi2O3/Bi2S3异质结(YunhuiYan,JianguoZhou,etal.JournalofColloidandInterfaceScience,2014,435:91-98)、Bi2O3/Bi2S3/MoS2三相n-p异质结等(JunKe,ShaobinWang,etal.AppliedCatalysisB:Environmental,2017,200:47-55)。这些材料的光催化活性比纯相Bi2O3的光催化活性提高，但合成方法较为复杂，反应合成成本较高。在众多异质结结构中，不同晶型的Bi2O3构成的相异质结是一种新型的异质结结构。其不需引入其它元素，即可形成相异质结，从而提高Bi2O3的光催化活性，简化了反应体系，降低了合成成本。目前，Bi2O3相异质结的合成及应用已有少量研究报道，采用的方法包括水热法、热解法以及溶剂热-煅烧法等。具体如下：1.YuanyuanSun等(Sun,Y.,etal.,ChemicalEngineeringJournal,2012,211-212:161-167)利用水热法合成了α/γ-Bi2O3光催化剂。该方法以硝酸铋为铋源，加入硫酸钠辅助合成，并利用NaOH调节pH，通过溶剂热反应即可得到α/γ-Bi2O3相异质结光催化剂。α/γ-Bi2O3对罗丹明B具有较强的可见光催化活性，可见光照射90min后，可将罗丹明B完全去除（1×10-5M）。YuanyuanSun等采用的合成方法较为简单，成本较低，但所得的α/γ-Bi2O3光催化活性不高。2.TanveerA.Gadhi等(TanveerA.Gadhi,AgileoHernández-Gordillo,etal.CeramicsInternational,2016,42:13065-13073)通过热解法合成了α/β-Bi2O3光催化剂。该方法采用硝酸铋为铋源，将其在150℃下恒温30min并继续升温至250℃恒温2h，以去除铋盐中的水。将所得的固体粉末在550℃下退火2h，即可得到α/β-Bi2O3光催化剂。制备的光催化剂在可见光照射60min后对靛蓝（10mg/L）的去除率可达90%，可见光照射300min后对罗丹明B（10mg/L）的去除率约为65%。其制备过程较为简单，但其所需的煅烧温度高，且光催化活性较差。3.JungangHou等(JungangHou,ChaoYang,ShuqiangJiao,etal.AppliedCatalysisB:Environmental,2013,142-143:504-511)通过溶剂热-煅烧法合成了α/β-Bi2O3光催化剂。该方法以硝酸铋为铋源，苯甲醇为溶剂，通过溶剂热反应24h，生成了铋基前驱体。将铋基前驱体在300℃下煅烧5h，即可得到α/β-Bi2O3相异质结光催化剂。溶剂热反应温度为210℃时，所合成的α/β-Bi2O3光催化活性最高，可见光照射60min后对罗丹明B（1×10-4M）的去除率可达98%。但JungangHou等人的研究中采用的溶剂苯甲醇价格较高，溶剂热反应所需的反应温度高、反应时间长，且煅烧时间较长，增大了合成成本。综上所述，在已有的技术中存在的问题为：1.合成方法复杂，生产成本较高；2.反应过程或煅烧过程中所需的温度较高，合成时间长，能耗高，加大了合成成本；3.现有制备过程中采用的有机溶剂（苯甲醇）具有毒性，有麻醉作用，对眼部、皮肤和呼吸系统有强烈的刺激作用，吞食、吸入或皮肤接触均对身体有害；4.制备的光催化剂活性低，不能实现对有机污染物的高效、快速去除。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺点，本文提供了一种合成α/β-Bi2O3相异质结光催化剂的新方法，并将其应用于降解水中的有机污染物。本专利技术采用改进的溶剂热-煅烧法合成α/β-Bi2O3相异质结光催化剂，制备的光催化剂能高效降解水中的有机污染物。该方法操作简单，使用的原料廉价易得，能耗低，所得的α/β-Bi2O3相异质结光催化剂对有机污染物具有很高的催化活性，可在可见光的照射下实现对有机污染物的高效、快速去除。为实现上述目的，本方法以铋盐为原料，以还原性液体为溶剂，并可采用胺类物质作为添加剂，通过溶剂热反应合成了铋基前驱体。当溶剂热过程中采用醇类有机溶剂作为还原性溶剂时，醇类有机溶剂既作为一种高沸点溶剂，同时起到了还原剂的作用，简化了反应体系，降低了合成成本；而胺类物质中的N含有一对孤对电子，可与Bi(Ⅲ)产生弱配位，通过调控反应体系中的胺类物质的含量，即可控制适中的反应速率，影响铋基前驱体的生成，从而提高催化剂的光催化活性。当溶剂热过程中采用酰胺类有机溶剂作为还原性溶剂时，酰胺类物质可作为高沸点溶剂、还原剂，也可与Bi(Ⅲ)形成配合物，控制反应速率，因而反应过程中无需再添加胺类物质，从而可以进一步简化反应体系、降低合成成本。同时，该方法缩短了溶剂热反应时间，降低了反应能耗。将前驱体在较低温度下煅烧，即可生成α/β-Bi2O3相异质结光催化剂，比已有方法极大地降低了煅烧温度，达到节约能源的目的。通过控制胺类物质的加入量、煅烧温度、煅烧时间、水热反应温度、水热反应时间合成α/β-Bi2O3材料，克服了已有方法的缺点，制备出了可高效去本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种α/β‑Bi

【技术特征摘要】
1.一种α/β-Bi2O3相异质结光催化剂的合成方法，其特征在于包括以下步骤：（1）将2-4mmol铋源物质溶于70mL还原性溶剂中，在室温下磁力搅拌30min；（2）将0-2.0mL胺类物质加入到上述溶液中，继续搅拌10min；（3）将上述混合液转移到反应釜中，放入烘箱中150-180℃下反应8-12h，得到棕色至灰黑色固体，即为铋基前驱体；（4）将固体离心分离，并分别用去离子水和无水乙醇各洗涤3次，在烘箱中60℃下烘干；（5）将烘干后的前驱体固体取出并使用玛瑙研钵进行研磨，即得干燥的铋基前驱体粉末；（6）将前驱体粉末放入马弗炉中，在300℃下煅烧0.5-2.0h，得到黄色至绿色固体，即为α/β-Bi2O3相异质结光催化剂。2.如权利要求1所述的α/β-Bi2O3相异质结光催化剂的合成方法，其特征在于：所述步骤（1）中，所述的铋源物质为：硝酸铋、碱性硝酸铋、氯化铋、硫酸铋、铋酸钠、柠檬酸铋等；所述还原性溶剂...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋峰芝，史颖颖，张叶飞，王珊，陈宇，龙艳菊，李领鑫，
申请(专利权)人：云南大学，
类型：发明
国别省市：云南,53