一种钒酸铋-锌铁尖晶石复合光催化剂、制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种钒酸铋‑锌铁尖晶石复合光催化剂、制备方法及其应用，所述光催化剂包括m‑BiVO4基体，在所述m‑BiVO4基体表面分散有ZnFe2O4；所述ZnFe2O4与所述m‑BiVO4基体的质量比为5～20︰95～80。采用低温自蔓延溶胶‑凝胶法结合煅烧法制备出单斜钒酸铋/锌铁尖晶石复合光催化材料，并利用模拟可见光对制备出的材料进行光催化性能的测试，通过降解生物难降解有机污染物亚甲基橙来证明该材料优越的光催化性能。该材料属于无机光催化材料，光催化活性高，在环境保护方面有很好的应用前景。该方法具有单斜钒酸铋形貌可控，锌铁尖晶石与单斜钒酸铋复合良好，分散均匀，形成了有效的p‑n异质结的优点。

Bismuth vanadium zinc iron spinel composite photocatalyst, preparation method and application thereof

The invention discloses a bismuth vanadate zinc-iron spinel composite photocatalyst, a preparation method and an application thereof. The photocatalyst comprises a m_BiVO4 matrix with ZnFe2O4 dispersed on the surface of the m_BiVO4 matrix, and the mass ratio of the ZnFe2O4 to the m_BiVO4 matrix is 5-20:95-80. The monoclinic bismuth vanadium bismuth / zinc iron spinel composite photocatalyst was prepared by low temperature self propagating sol gel method combined with calcination method. The photocatalytic properties of the prepared materials were tested by simulated visible light, and the photocatalytic properties of the material were proved by degradation of biodegradable organic pollutants methylene orange. This material belongs to inorganic photocatalytic material with high photocatalytic activity and has a good application prospect in environmental protection. The method has the advantages of controllable morphology of monoclinic bismuth vanadate, good combination of zinc-iron spinel and monoclinic bismuth vanadate, uniform dispersion and effective p_n heterojunction.

【技术实现步骤摘要】
一种钒酸铋-锌铁尖晶石复合光催化剂、制备方法及其应用
本专利技术属无机材料制备
,涉及一种光催化剂、制备方法及其应用，特指一种钒酸铋-锌铁尖晶石复合光催化剂、制备方法及其应用。
技术介绍
近年来，半导体光催化在水污染处理上表现突出，一直处于环境治理研究的前沿。它的优点是效率高、成本低、选择性广泛、反应温度需求低、能源需求小以及对污染物降解彻底等[1-4]。其中,单斜钒酸铋(m-BiVO4)凭借其禁带宽度较窄(2.45eV)，化学稳定性好、制备成本低、可直接利用可见光、无毒环保等显著优点而受到广泛关注[5]，在光催化氧化降解有机染料废水等方面具有广阔的应用前景。但是，单斜钒酸铋光催化剂存在两个主要缺陷：一是光生电子和空穴容易复合导致其光催化效率低，二是分离回收困难使其应用受到限制。制备具有合适能带结构的单斜钒酸铋基复合光催化材料，可以提高单斜钒酸铋的光催化性能。锌铁尖晶石(ZnFe2O4)具有和单斜钒酸铋匹配的能带结构，具有磁性，容易分离回收。因此我们提出一种单斜钒酸铋/锌铁尖晶石复合光催化材料的制备方法，旨在改善单斜钒酸铋的光催化性能。参考文献：[1]王健.ZnO纳米材料及核壳结构的制备和光催化性能研究[D].中国科学院大学，2016,06.[2]刘守新，刘鸿.光催化及光电催化基础与应用[M].北京：化学工业出版社，2005,8.[3]Fujishima,Hondak.Electrochemicalphotolysisofwateratasemiconductorelectrode[J].Nature,1972,(238):37-38.[4]姜妍彦，李景刚，宁桂玲等.尖晶石型CuAl2O4纳米粉体的制备及其可见光催化性能[J].硅酸盐学报，2006,34(9):1084-1087.[5]ChongfeiYu,ShuyingDong,JinZhao,etal.Preparationandcharacterizationofsphere-shapedBiVO4/reducedgrapheneoxidephotocatalystforanaugmentednaturalsunlightphotocatalyticactivity[J].JournalofAlloysandCompounds,2016,677:219-227.
技术实现思路
本专利技术的第一个目的在于提出一种钒酸铋-锌铁尖晶石复合光催化剂，能够改善单斜钒酸铋的光催化性能。本专利技术的第二个目的是提供一种钒酸铋-锌铁尖晶石复合光催化剂的制备方法，具有合成简单、降解效率高的特点。本专利技术的第三个目的是提供一种钒酸铋-锌铁尖晶石复合光催化剂用于光催化降解有机染料的应用。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种钒酸铋-锌铁尖晶石复合光催化剂，所述光催化剂包括m-BiVO4基体，在所述m-BiVO4基体表面分散有ZnFe2O4；所述ZnFe2O4与所述m-BiVO4基体的质量比为5～20︰95～80。可选的，所述光催化剂的制备方法包括：将ZnFe2O4与m-BiVO4基体经过溶胶-凝胶原位负载法得到混合凝胶，混合凝胶经干燥固化得到前驱体粉末，前驱体粉末再经高温煅烧即得。可选的，所述的溶胶-凝胶原位负载法为将m-BiVO4基体制备成前驱体溶液，ZnFe2O4分散在前驱体溶液中得到混合凝胶。可选的，将ZnFe2O4超声分散分散在前驱体溶液中，超声分散的时间为20～45min；所述的混合凝胶经干燥固化得到前驱体粉末的干燥温度为60～90℃；所述的高温煅烧的煅烧温度为450～600℃,煅烧时间为3～6h。一种钒酸铋-锌铁尖晶石复合光催化剂制备方法，包括将ZnFe2O4纳米粉体与m-BiVO4基体经过溶胶-凝胶原位负载法得到混合凝胶，混合凝胶经干燥固化得到前驱体粉末，前驱体粉末再经高温煅烧即得。可选的，所述的溶胶-凝胶原位负载法为将m-BiVO4基体制备成前驱体溶液，ZnFe2O4纳米粉体分散负载在前驱体溶液中得到混合凝胶；将ZnFe2O4超声分散分散在前驱体溶液中，超声分散的时间为20～45min；所述的混合凝胶经干燥固化得到前驱体粉末的干燥温度为60～90℃；所述的高温煅烧的煅烧温度为450～600℃,煅烧时间为3～6h。可选的，所述的前驱体液的制备采用溶胶-凝胶法，前驱体溶液的制备原料为硝酸铋、柠檬酸、乙二醇水溶液、偏钒酸铵；硝酸铋、柠檬酸、乙二醇水溶液的用量比为5.5～11.5g︰15～25g︰20～50ml；偏钒酸铵与乙二醇溶液的用量比为1.05～4.35g︰20～50ml。乙二醇水溶液中的乙二醇与水的体积比为1︰2。可选的，所述的ZnFe2O4纳米粉体采用自蔓延溶胶-凝胶结合高温煅烧法制备得到，包括将硝酸铁、硝酸镁、乙二醇水溶液和柠檬酸原料混合后得到凝胶，凝胶采用低温自蔓延燃烧得到ZnFe2O4前驱体粉末，将所得前驱体粉末煅烧得到ZnFe2O4纳米粉体；硝酸铁、硝酸镁与乙二醇溶液的用量比为18.05～27.45g︰3.98～11.35g︰10～30ml；柠檬酸与乙二醇溶液的用量比为40.13～60.65g︰30～50ml；乙二醇水溶液中的乙二醇与水的体积比为1︰2。可选的，所述低温自蔓延燃烧的温度为160～220℃；所述煅烧的温度为700～900℃，升温速率为2.5～5℃/min，保温时间为5h。所述的钒酸铋-锌铁尖晶石复合光催化剂或者所述的钒酸铋-锌铁尖晶石复合光催化剂制备方法制备得到的钒酸铋-锌铁尖晶石复合光催化剂用于光催化降解有机染料的应用。本专利技术的技术效果为：(1)本专利技术描述了一种高分散的可回收的单斜钒酸铋/锌铁尖晶石复合光催化材料及其应用，m-BiVO4是一种性能优异的可见光催化剂，ZnFe2O4纳米粉体的引入体现了其与m-BiVO4的半导体耦合作用，可以有效促进光生电子空穴分离，提高可见光催化效率，使得本专利技术制备的高分散复合光催化材料在短时间内即可达到很高的催化效率，最高可达92％。同时ZnFe2O4纳米粉体具有磁性，方便粉体分离回收利用，降低了其使用成本。(2)在制备ZnFe2O4纳米粉体与m-BiVO4前驱体液的过程中，由于采用了自蔓延溶胶-凝胶法，并以乙二醇与去离子水作为复合分散剂，使得所制备的粉体分散性更好，纯度更高。(3)在制备单斜钒酸铋/锌铁尖晶石复合光催化材料时，由于采用了原位负载复合结合煅烧法，使得ZnFe2O4纳米粉体在m-BiVO4前驱体液中分散均匀，复合良好，光催化效果更佳。附图说明图1为实施例1所制备ZnFe2O4样品的XRD图谱；图2为实施例1所制备单斜钒酸铋/锌铁尖晶石复合光催化材料的XRD图谱；图3为实施例1所制备ZnFe2O4样品的SEM与EDS分析图；图4为实施例1所制备的单斜钒酸铋/锌铁尖晶石复合光催化材料对亚甲基橙的光催化5次循环实验；图5为实施例1～4所制备的单斜钒酸铋/锌铁尖晶石复合光催化材料光催化降解亚甲基橙的降解效果图；图6为实施例1～4所制备的单斜钒酸铋/锌铁尖晶石复合光催化材料光催化降解亚甲基橙的机理示意图。具体实施方式本专利技术所述的有机染料包括亚甲基橙、亚甲基蓝、罗丹明B等常见的有机染料。下面结合具体实施实例对本专利技术做进一步说明：实施例1：步骤1：溶胶-凝胶技术制备m-BiVO4前驱本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钒酸铋‑锌铁尖晶石复合光催化剂，其特征在于，所述光催化剂包括m‑BiVO4基体，在所述m‑BiVO4基体表面分散有ZnFe2O4；所述ZnFe2O4与所述m‑BiVO4基体的质量比为5～20︰95～80。

【技术特征摘要】
1.一种钒酸铋-锌铁尖晶石复合光催化剂，其特征在于，所述光催化剂包括m-BiVO4基体，在所述m-BiVO4基体表面分散有ZnFe2O4；所述ZnFe2O4与所述m-BiVO4基体的质量比为5～20︰95～80。2.根据权利要求1所述的钒酸铋-锌铁尖晶石复合光催化剂，其特征在于，所述光催化剂的制备方法包括：将ZnFe2O4与m-BiVO4基体经过溶胶-凝胶原位负载法得到混合凝胶，混合凝胶经干燥固化得到前驱体粉末，前驱体粉末再经高温煅烧即得。3.根据权利要求2所述的钒酸铋-锌铁尖晶石复合光催化剂，其特征在于，所述的溶胶-凝胶原位负载法为将m-BiVO4基体制备成前驱体溶液，ZnFe2O4分散在前驱体溶液中得到混合凝胶。4.根据权利要求3所述的钒酸铋-锌铁尖晶石复合光催化剂，其特征在于，将ZnFe2O4超声分散在前驱体溶液中，超声分散的时间为20～45min；所述的混合凝胶经干燥固化得到前驱体粉末的干燥温度为60～90℃；所述的高温煅烧的煅烧温度为450～600℃,煅烧时间为3～6h。5.一种钒酸铋-锌铁尖晶石复合光催化剂制备方法，其特征在于，包括将ZnFe2O4纳米粉体与m-BiVO4基体经过溶胶-凝胶原位负载法得到混合凝胶，混合凝胶经干燥固化得到前驱体粉末，前驱体粉末再经高温煅烧即得。6.根据权利要求5所述的钒酸铋-锌铁尖晶石复合光催化剂制备方法，其特征在于，所述的溶胶-凝胶原位负载法为将m-BiVO4基体制备成前驱体溶液，ZnFe2O4纳米粉体分散在前驱体溶液中得到混合凝胶；将ZnFe2O4超声分散在前驱体溶液中，超声分散的时间为20～45min；所述的混合凝胶经干燥固化得到前驱体粉末的...

【专利技术属性】
技术研发人员：马爱琼，马孝瑜，李辉，高云琴，侯星，
申请(专利权)人：西安建筑科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61