一种新型包覆Z型结构的光催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开一种新型包覆Z型结构的光催化剂及其制备方法及其在模拟太阳光照射下光催化同时转化水溶液中Cr(VI)和降解罗丹明B(RhB)中的应用。该光催化剂为CNT/Ni2P/Er

【技术实现步骤摘要】
一种新型包覆Z型结构的光催化剂及其制备方法和应用
本专利技术属于光催化领域，尤其涉及一种新型包覆Z型结构的光催化剂CNT/Ni2P/Er3+:Y3Al5O12-CNT@Bi12GeO20的制备方法及其在光催化同时转化Cr(VI)和降解罗丹明B(RhB)中的应用。
技术介绍
随着近代工业的发展，环境污染越来越严重。在我国环境保护已被列为改革和发展的十大战略任务之一，其中水资源保护是环境保护的重大课题。在诸多工业如纺织、造纸、制革等领域所产生的工业废水中存在的重金属离子和有机污染物给环境和人体健康带来巨大的危害。本实验中以同时含有重金属Cr(VI)和有机染料罗丹明B(RhB)的溶液作为模拟重金属离子和有机污染物共存的污水体系来验证光催化剂的转化和降解效果。重金属Cr(VI)以铬酸盐(HCrO4-/CrO42-)和重铬酸盐(Cr2O72-)的形式进入环境。研究表明，Cr(VI)有高于Cr(III)1000倍的致癌性，并且通常具有更高的溶解性、毒性、不稳定性以及生物活性。饮用水中如果含有Cr(VI)，会增加人体患肝癌、皮肤癌及膀胱癌的可能性。罗丹明B(RhB)是印染行业中常用的一种稳定阳离子碱性染料，具有较强的致癌性。面对难以被充分降解的染料，如何将它们彻底的无害化处理，一直是困扰科学家的难题。因此，将Cr(VI)还原成Cr(III)，和对印染废水同时进行彻底的无害化处理是十分必要的。近些年来，应用半导体多相光催化技术处理Cr(VI)和罗丹明B(RhB)已经引起了更多的注意。若让他们在一个体系中同时进行，分别在导带上进行还原反应，在价带上进行氧化反应，最终在导带生成Cr(III)，而罗丹明B(RhB)在价带进行降解，则可以对这两种物质同时进行转化和降解。但是要想同时进行，这种半导体光催化技术存在的一个问题是光生电子和空穴对容易复合。光催化体系既要进行氧化反应又要进行还原反应，其催化剂必须具有足够的带宽。但是符合这样的半导体催化剂很少，因此本专利技术引入包覆Z型光催化体系。在众多的光催化剂中，Bi12GeO20和Ni2P是典型宽带半导体和窄带半导体光催化剂，它们的带宽分别是3.2eV和1.0eV。Bi12GeO20是相对宽带半导体，它能够利用太阳光中的高能量光，Ni2P是相对窄带半导体，能够利用太阳光中的低能量光。相对于纳米材料CNT是一种较长的管状材料(0.5-2.0μm)，并且具有良好的导电性能。电子通过CNT转移，能有效的抑制了电子空穴的复合，并且CNT与包覆结构的光催化剂相结合释放了更多的活性位点，使Cr(VI)在CNT表面上还原，罗丹明B(RhB)在Bi12GeO20表面上降解。从而可以实现同时对于Cr(VI)的转化和罗丹明B(RhB)的降解。因此在本专利技术中包覆Z型光催化剂CNT/Ni2P/Er3+:Y3Al5O12-CNT@Bi12GeO20在光催化转化Cr(VI)和降解罗丹明B(RhB)反应中具有广阔的应用前景。
技术实现思路
为了提供更多的活性位点及解决光生电子和空穴的复合问题，本专利技术设计合成一种将CNT作为导电通道来有效分离光生电子和空穴的新型复合光催化剂CNT/Ni2P/Er3+:Y3Al5O12-CNT@Bi12GeO20。本专利技术所涉及化合物属于新型包覆Z型半导体光催化剂CNT/Ni2P/Er3+:Y3Al5O12-CNT@Bi12GeO20。将其应用于同时转化水溶液中Cr(VI)和降解罗丹明B(RhB)的反应中，具有操作简单、无污染、易于分离没有副产物生成且不会造成环境污染的优点。本专利技术采用的技术方案是：一种新型包覆Z型结构的光催化剂，所述的新型包覆Z型结构的光催化剂是CNT/Ni2P/Er3+:Y3Al5O12-CNT@Bi12GeO20。一种所述新型包覆Z型结构的光催化剂的制备方法，包括如下步骤：1)将GeO2溶解到浓氨水中，得GeO2氨水溶液；将BiCl3加入到无水乙醇中，待其完全溶解后加入GeO2氨水溶液中，搅拌2h生成白色粘稠的溶胶；2)将等质量的Er3+:Y3Al5O12和CNT/Ni2P加入到超纯水中，并利用超声充分分散5min，将悬浮液加热到沸点，保持恒温2min，离心后80℃干燥12h。对干燥后粉末进行研磨，然后在400℃下煅烧2h，最后研磨，得到CNT/Ni2P/Er3+:Y3Al5O12纳米粒子粉末。3)向白色粘稠的溶胶中加入CNT/Ni2P/Er3+:Y3Al5O12纳米粉末，室温搅拌12h，然后干燥48h，将粉末研细，在管式炉中600℃煅烧2h，待其冷却至室温后研磨，得到目标产物CNT/Ni2P/Er3+:Y3Al5O12-CNT@Bi12GeO20。所述的制备方法，步骤2)中CNT/Ni2P粉末的制备方法为：将NiCl2·6H2O和红磷加入到超纯水中，在室温下搅拌20min，得混合溶液；将CNT加入混合溶液中，继续搅拌1h，得到的悬浮溶液转移到反应釜中140℃下36h，收集并用蒸馏水和无水乙醇清洗数次，离心后60℃干燥12h，对干燥后粉末进行研磨，得到CNT/Ni2P粉末。所述的制备方法，步骤2)中Er3+:Y3Al5O12粉末的制备方法为：将Er2O3、Y2O3粉末溶解在浓硝酸中并磁力加热搅拌直至无色透明，得稀土离子溶液；然后将Al(NO3)·9H2O溶解在蒸馏水中，在室温下用玻璃棒搅拌并慢慢加入到稀土离子溶液中，将柠檬酸作为螯合剂和助溶剂，用蒸馏水溶解柠檬酸，在50-60℃加热搅拌，当溶液呈粘稠状时停止，得黏胶状溶液；将粘稠状溶液放入烘箱恒温80℃加热36h，在干燥过程中直到蒸干溶剂没有沉淀物生成，最终得到泡沫溶胶，得到的溶胶在500℃加热50min，然后分别在1100℃分别煅烧2h。最后，从高温炉中取出烧结的物质并且在空气中冷却至室温得到Er3+:Y3Al5O12粉末。所述的制备方法，按摩尔比，所述柠檬酸：稀土离子＝3:1。一种所述新型包覆Z型结构的光催化剂在光催化同时转化Cr(VI)和降解罗丹明B(RhB)中的应用。所述的应用，应用过程如下：将CNT/Ni2P/Er3+:Y3Al5O12-CNT@Bi12GeO20纳米级粉末加入到待转化-降解溶液中，在pH为2，500W氙灯照射的条件下进行光照，所述待转化-降解溶液为含有Cr(VI)和罗丹明B(RhB)的水溶液。所述的应用，所述CNT/Ni2P/Er3+:Y3Al5O12-CNT@Bi12GeO20纳米级粉末在待转化-降解溶液中的浓度为1.0g/L。所述的应用，所述待转化-降解溶液中Cr(VI)和罗丹明B(RhB)的浓度比为3:1。所述的应用，光照时间为40min。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术制备的包覆Z型光催化剂CNT/Ni2P/Er3+:Y3Al5O12-CNT@Bi12GeO20，是将Bi12GeO20导带产生的光生电子通过CNT作为导电通道与Ni2P价带所产生的光生空穴相结合，而Ni2P导带所产生的光生电子由CNT穿过Bi12GeO20表面，将Ni2P导带所产的电子转移。从而提高了光生电子和空穴的分离效率。且CNT也为光催化转化Cr(VI)提供了更多的活性位点，同时也增加了Bi12GeO20对罗丹明B(RhB)降解的空穴暴露面。众所周知，由于Bi12GeO20的带宽3.20eV，其中价带为2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型包覆Z型结构的光催化剂，其特征在于：所述的新型包覆Z型结构的光催化剂是CNT/Ni2P/Er3+:Y3Al5O12‑CNT@Bi12GeO20。

【技术特征摘要】
1.一种新型包覆Z型结构的光催化剂，其特征在于：所述的新型包覆Z型结构的光催化剂是CNT/Ni2P/Er3+:Y3Al5O12-CNT@Bi12GeO20。2.一种如权利要求1所述新型包覆Z型结构的光催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将GeO2溶解到浓氨水中，得GeO2氨水溶液；将BiCl3加入到无水乙醇中，待其完全溶解后加入GeO2氨水溶液中，搅拌2h生成白色粘稠的溶胶；2)将等质量的Er3+:Y3Al5O12和CNT/Ni2P加入到超纯水中，并利用超声充分分散5min，将悬浮液加热到沸点，保持恒温2min，离心后80℃干燥12h。对干燥后粉末进行研磨，然后在400℃下煅烧2h，最后研磨，得到CNT/Ni2P/Er3+:Y3Al5O12纳米粒子粉末。3)向白色粘稠的溶胶中加入CNT/Ni2P/Er3+:Y3Al5O12纳米粉末，室温搅拌12h，然后干燥48h，将粉末研细，在管式炉中600℃煅烧2h，待其冷却至室温后研磨，得到目标产物CNT/Ni2P/Er3+:Y3Al5O12-CNT@Bi12GeO20。3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中CNT/Ni2P粉末的制备方法为：将NiCl2·6H2O和红磷加入到超纯水中，在室温下搅拌20min，得混合溶液；将CNT加入混合溶液中，继续搅拌1h，得到的悬浮溶液转移到反应釜中140℃下36h，收集并用蒸馏水和无水乙醇清洗数次，离心后60℃干燥12h，对干燥后粉末进行研磨，得到CNT/Ni2P粉末。4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中Er3+:Y3Al5O12粉末...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋有涛，王春权，王君，马雪，王国伟，孙彧，曲智慧，
申请(专利权)人：辽宁大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21