一种BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构催化剂的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构催化剂的制备方法及其应用，属于污水处理技术领域。本发明专利技术中BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构催化剂是在水热条件下一步合成，制备方法简单。BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构催化剂中，BiFeO3与Bi2Fe4O9形成的异质结构可抑制可见光催化剂BiFeO3光生电子和空穴的复合，同时在光、Fe

Preparation and Application of BiFeO 3/Bi2Fe 4O 9 Heterostructure Catalyst

【技术实现步骤摘要】
一种BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构催化剂的制备方法及其应用
本专利技术属于光催化材料
，具体涉及一种一步合成BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构催化剂的制备方法及其应用，特别是涉及一种采用BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构作为光催化反应和高级氧化反应的双重催化剂在降解抗生素领域中的应用。
技术介绍
我国是抗生素生产及使用大国，大量的抗生素被直接或间接排放对水环境造成二次污染，对微生物、动物和植物的生长、发育造成显著的毒害作用。令人震惊的是今年年初在江浙沪皖等地的儿童尿检中已检出兽用抗生素。寻找一种高效、环境友好的方法去除水体中的抗生素迫在眉睫。基于硫酸根自由基(SO4·-)的高级氧化技术在降解有机污染物方面展现了潜在的应用前景。这主要是因为与Fenton氧化反应相比基于SO4·-的高级氧化技术有如下优势：a.SO4·-具有更高的氧化电位；b.反应受pH值影响相对要小；c.产生SO4·-的过硫酸盐室温下稳定性高、水溶性好、易于储存和运输等优点。例如，中国专利申请号为201510181466.0，申请公开日为2015年7月1日的专利申请文件公开了一种光助铁酸铋活化过硫酸氢钾降解有机废水的方法。该专利中以钙钛矿结构BiFeO3为光催化剂，发生光催化反应产生光生电子和空穴降解有机污染物，同时向体系中引入过硫酸氢钾(PMS)，BiFeO3中Fe3+活化PMS产生SO4·-发生高级氧化反应，在光催化反应和高级氧化反应的协同作用下降解有机污染物。但是，窄带隙半导体材料BiFeO3的光生电子和空穴容易复合，影响了协同反应中光催化反应的效率。Bi2Fe4O9是BiFeO3合成过程中容易出现的伴生相，2017年4月17号，《ACSSustainableChemistry&Engineering》2017年第5卷第6期第4630-4636页，魏建红等人公开了一篇名为“FacialSynthesisandPhotoreactionMechanismofBiFeO3/Bi2Fe4O9HeterojunctionNanofibers”(基于BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结纳米纤维的界面聚合及其光反应机理的研究)的文章，该文章发现BiFeO3与Bi2Fe4O9可以形成Z型异质结构，在光催化降解罗丹明和可见光下分解水制氢方面表现出了较高的性能。但是，采用静电纺丝法制备BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结催化剂过程复杂，需要上万伏的高静压电和较高的合成温度，且产量低。因此，亟需开发一种一步合成BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构催化剂的方法，并将其作为双催化剂应用在抗生素降解领域，以期提高抗生素的降解效率。
技术实现思路
1.要解决的问题针对现有BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构复合催化剂合成过程复杂繁琐、合成条件控制困难大的问题，本专利技术提供一种采用水热法一步合成BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构复合催化剂的方法，合成过程简单，并使BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构催化剂在光催化反应和高级氧化反应协同作用下降解抗生素，为抗生素的高效降解提供了广阔的应用前景。2.技术方案为了解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构催化剂的制备方法，采用如下方法制备：将硝酸铋溶于水中，加入十六烷基三甲基溴化铵充分搅拌后，加入硝酸铁，搅拌后加入氢氧化钠作为矿化剂，充分搅拌后把混合溶液装进反应釜中，升温至200℃反应6h，产物经去离子水和乙醇充分洗涤后至中性，于60℃干燥5h，得到棕色样品，即为BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构催化剂。进一步地，BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构催化剂采用如下方法制备：(1)硝酸铋溶液的制备：将硝酸铋溶于水中形成浓度为10～18mmol/L的硝酸铋溶液；(2)BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构催化剂的合成反应过程：向步骤(1)配制好的硝酸铋溶液中加入硝酸铁，再加入硝酸铁，搅拌10～40min后加入氢氧化纳作为矿化剂，其中硝酸铋：硝酸铁：十六烷基三甲基溴化铵：氢氧化纳的质量比为1:(0.6～1.0):(0.4～0.8):(4.7～16.7)，充分搅拌后把混合溶液装进反应釜中，填充度60～80％，升温至160～200℃反应3～7h，得到产物；(3)将步骤(2)中得到的产物经去离子水、乙醇充分洗涤至中性，于60℃干燥5h，得到棕色样品，即为BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构催化剂。进一步地，所述硝酸铋溶液优选18mmol/L，所述硝酸铋：硝酸铁：十六烷基三甲基溴化铵：氢氧化纳的质量比优选为1：1：0.6：13。一种BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构催化剂在降解有机污染物的应用，其中BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构催化剂是采用上述方法制备得到的。进一步地，将所述的BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构催化剂与有机污染物废水充分混合达到吸附-脱附平衡后，向体系中加入氧化剂，在异质结构光催化反应和高级氧化反应协同作用下降解水中有机污染物。进一步地，所述的异质结构催化剂在反应体系中形成的浓度为0.5～1.5g/L。进一步地，所述的有机污染物为抗生素。进一步地，所述抗生素废水的浓度为5～50mg/L。进一步地，BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构催化剂和氧化剂的质量比为1∶(0.6～1.6)。进一步地，所述的氧化剂为过硫酸氢钾，过硫酸氢钾溶液的浓度为1.0～6.0mmol/L；3.有益效果相比于现有技术，本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术制备的BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构催化剂属于一步合成，制备方法简单，且样品比表面积较大、稳定性好，本身即可作为光催化材料重复使用；(2)本专利技术BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构催化剂中，BiFeO3/Bi2Fe4O9形成异质结构，抑制光生电子和空穴的复合，有效的提高了协同反应中光催化反应部分的效率；(3)本专利技术BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构催化剂中，由于Fe3+可以活化过硫酸氢钾硫酸盐产生SO4·-，使抗生素在高级氧化反应和光催化反应的协同作用下被降解，有效的提高了降解效率；(4)本专利技术采用水热法一步合成BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构催化剂，利用BiFeO3与Bi2Fe4O9形成的异质结构抑制光催化反应中BiFeO3光生电子和空穴的复合，解决了窄带隙半导体材料BiFeO3的光生电子和空穴易复合的问题，同时在光、Fe3+的共同作用下活化过硫酸氢钾快速高效地产生SO4·-，使光催化反应与高级氧化反应协同作用降解抗生素，为抗生素的高效降解提供了广阔的应用前景。附图说明图1为本专利技术制得的BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构的XRD图；图2为本专利技术制得的BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构的SEM图(放大倍率为2000倍)；图3为本专利技术制得的BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构的SEM图(放大倍率为5000倍)；图4为本专利技术制得的BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构的拉曼光谱图；图5为不同催化剂在PMS存在条件下对土霉素的降解效果图；图6为BiFeO3/Bi2Fe4O9、PMS、BiFeO3/Bi2Fe4O9/PMS对土霉素的降解效果图。具体实施方式为了更好地本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构催化剂的制备方法，其特征在于：采用如下方法一步合成：将硝酸铋溶于水中，加入十六烷基三甲基溴化铵搅拌处理后，加入硝酸铁，搅拌处理后加入氢氧化钠作为矿化剂，充分搅拌处理后把混合溶液装进反应釜并放入烘箱中反应，自然冷却后产物经去离子水和乙醇充分洗涤后至中性，干燥，得到棕色样品，即为BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构催化剂的制备方法，其特征在于：采用如下方法一步合成：将硝酸铋溶于水中，加入十六烷基三甲基溴化铵搅拌处理后，加入硝酸铁，搅拌处理后加入氢氧化钠作为矿化剂，充分搅拌处理后把混合溶液装进反应釜并放入烘箱中反应，自然冷却后产物经去离子水和乙醇充分洗涤后至中性，干燥，得到棕色样品，即为BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构催化剂。2.根据权利要求1所述的一种BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构催化剂的制备方法，其特征在于采用如下方法制备：(1)硝酸铋溶液的制备：将硝酸铋溶于水中形成浓度为10～18mmol/L的硝酸铋溶液；(2)BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构催化剂的合成反应过程：向步骤(1)配制好的硝酸铋溶液中先加入十六烷基三甲基溴化铵搅拌处理后，再加入硝酸铁，搅拌10～40min后加入氢氧化纳作为矿化剂，其中硝酸铋：硝酸铁：十六烷基三甲基溴化铵：氢氧化纳的质量比为1：(0.6～1.0)：(0.4～0.8)：(4.7～16.7)，搅拌处理后把混合溶液装进反应釜中，填充度60～80％，升温至160～200℃反应3～7h，得到产物；(3)将步骤(2)中得到的产物经去离子水、乙醇充分洗涤至中性，于60℃干燥5h，得到棕色样品，即为BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构催化剂。3.根据权利要求1或2任意一项所述的一种BiFeO3/Bi2Fe4O9异质结构催化剂的制备方法，其特征在于：所述硝...

【专利技术属性】
技术研发人员：池方丽，边德军，李广柱，田曦，艾胜书，段昊，
申请(专利权)人：长春工程学院，
类型：发明
国别省市：吉林,22