一种桑葚状钒酸铋-碳纳米管复合光催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于半导体光催化技术领域，尤其涉及一种桑葚状钒酸铋

【技术实现步骤摘要】
一种桑葚状钒酸铋
‑
碳纳米管复合光催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于半导体光催化
，尤其涉及一种桑葚状钒酸铋
‑
碳纳米管复合光催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着工业的快速发展，环境污染和能源短缺已成为当今世界面临的两个重要问题。源头污染控制和环境净化是改善环境的两个重要手段。光催化技术由于绿色环保、经济、条件温和以及降解彻底等优点，而在环境污染治理环境污染治理、洁净能源生产以及有机合成合成等领域备受关注。以TiO2为代表的传统光催化材料稳定、价廉、无毒、催化活性高等优点而受到研究人员的青睐，然而，由于TiO2的宽禁带，仅在占太阳光能量不足5%的紫外光区有响应，这大大限制了其在各个领域的应用。因此高效稳定具有可见光响应的光催化剂开发成为光催化领域的研究热点。
[0003] BiVO4是一种优异的窄带隙半导体材料，禁带宽度约为2.4~2.5 eV，可以吸收大部分的可见光，并且价带位置较正，具有强的氧化能力，是非常理想的光催化氧化降解污染物的催化剂。然而，BiVO4虽然在可见光下有一定的催化活性，但催化效果却不令人满意，原因在于 BiVO4比表面积小，且固有的不良电荷动力学（如电荷分离，传输和转移）导致光生载流子复合几率高，因此，要使 BiVO4成为具有实际应用价值的光催化剂，可以从以下两个方面着手：（1）对 BiVO4光催化剂自身结构进行多方面的调控，包括暴露特定晶面和构建三维结构，提高光吸收性能和光活性；（2）对 BiVO4进行改性，如贵金属沉积，半导体或纳米碳材料复合以及构筑异质结或来抑制光生e
‑
/h
+
对的复合和提高电子界面传输。近年来 BiVO4的复合改性受到越来越多的关注。纳米碳材料具有大的比表面积，对水中污染物具有良好的吸附性能；同时，纳米碳材料具有良好的电子传导能力，可以作为电子转移的桥梁，抑制光生载流子的复合，从而提高光催化性能。碳纳米管是由石墨烯片层卷曲而成，在室温下稳定存在，与石墨烯一样具有超凡的物理及电化学性质，如高比表面积，高导电性，高机械强度，易于表面修饰，极易在管壁上修饰
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COOH、
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OH等含氧官能团，因此非常适合用作纳米颗粒的载体材料，制成以碳纳米管为基体的半导体复合光催化剂，其中碳纳米管作为优秀的电子接受体，可以快速传导电子，促进光生电子
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空穴对的分离，提高光催化活性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种桑葚状钒酸铋
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碳纳米管复合光催化剂及其制备方法和应用，具有光催化响应高、催化效率高、稳定性好、易回收循环利用的优点。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种桑葚状钒酸铋
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碳纳米管复合光催化剂，所述桑葚状钒酸铋
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碳纳米管复合光催化剂包括桑葚状钒酸铋和通过共价键复合的钒酸铋表面的碳纳米管，钒酸铋和碳纳米管的质量比为1：0.01
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0.50，少量碳纳米管即可大幅提高光催化活性，所述钒酸铋为纳米颗粒
组装而成的桑葚状结构，纳米颗粒粒径在50
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100nm之间，桑葚状结构直径为200
‑
800 nm，长度在0.5
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1.2 μm，比表面积大，有利于光催化活性的提高，钒酸铋为单斜白钨矿结构，碳纳米管为预先酸处理的碳纳米管，有利于管壁上的官能团与钒酸铋表面官能团反应。
[0006]一种桑葚状钒酸铋
‑
碳纳米管复合光催化剂的制备方法，包括以下步骤：S1.将钒源加入浓度为0.5
‑
2mol/L的氢氧化钠水溶液中搅拌溶解，配制钒离子浓度为0.01
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0.3 mol/L的溶液A；S2.将铋盐加入多元醇中，搅拌至透明溶液，得到铋离子浓度为0.01
‑
0.3 mol/L的溶液B；S3.在持续搅拌状态下，将溶液A逐滴加入溶液B中控制钒：铋摩尔比为1：1，继续搅拌老化0.5
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2小时；S4.将步骤S3所得溶液于水热釜中进行水—溶剂热反应，其中水和多元醇的体积比为1：1.5
‑
4，反应温度为160
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200℃，反应时间4
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24小时，反应釜填充率50
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80%；S5.将步骤S4所得产物进行冷却、液固分离、洗涤和干燥，得到桑葚状钒酸铋；S6.将步骤S5所得钒酸铋分散到无水乙醇中，加入氨基硅烷，室温下持续剧烈搅拌，分离固体，将所得固体充分醇洗，干燥，得预处理的桑葚状钒酸铋；S7.将碳纳米管加入浓硝酸中，加热回流，分离、干燥、研磨制得硝酸预处理的碳纳米管；S8.将经过预处理的碳纳米管和钒酸铋按比例分散到无水乙醇中，超声分散，持续搅拌，干燥，氮气气氛下400
‑
550℃焙烧，得桑葚状钒酸铋
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碳纳米管复合光催化剂。
[0007]进一步的，所述步骤S1中钒源为偏钒酸铵、钒酸铵、偏钒酸钠和钒酸钠中的至少一种。
[0008]进一步的，所述步骤S2中铋盐硝酸铋、氯化铋和乙酸铋中的至少一种，多元醇为乙二醇、甘露醇和丙三醇中的至少一种，具体组合为乙二醇和甘露醇，乙二醇和丙三醇，甘露醇和丙三醇或乙二醇、甘露醇和丙三醇。
[0009]进一步的，所述步骤S5中采用空气自然冷却或水冷却；洗涤包括去离子水洗涤至中性后，采用乙醇洗涤；干燥温度为60
‑
80℃鼓风干燥或真空干燥。
[0010]一种桑葚状钒酸铋
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碳纳米管复合光催化剂在可见光催化降解水中污染物的应用。
[0011]本专利技术具有的优点是：1.本专利技术提供的桑葚状钒酸铋
‑
碳纳米管复合光催化剂中钒酸铋为疏松多孔的桑葚状结构，增大了催化剂的比表面积，有利于反应物在催化剂表面吸附，从而提高光催化效率光催化效率，所述复合光催化剂中钒酸铋与碳纳米管先通过共价键连接复合，再通过高温焙烧增强二者的结合力，保证电子在界面的有效传输，复合光催化剂中碳纳米管能快速提取并传导光生电子，从而抑制光生电子和空穴的复合，实现了高效的光催化活性，此外，复合光催化剂还具有可见光响应高和循环稳定性好等特点；2.本专利技术制备方法通过
①
控制铋离子和钒离子的浓度；
②
采用将含有钒离子的溶液逐滴加入铋离子醇溶液的方式；
③
采用水
‑
溶剂热的反应；
④
采用将碳纳米管进行酸回流预处理的方式；
⑤
采用将钒酸铋表面预处理；
⑥
采用高温焙烧；六者之间的相互配合，使得制备得到的桑葚状钒酸铋
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碳纳米管复合光催化剂中钒酸铋为桑葚状且与碳纳米管紧密结
合，制备方法工艺简单、便于调控，复合光催化剂的结构和组成保证其具有可见光响应、光催化活性高且循环稳定性好等优点；3.本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种桑葚状钒酸铋
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碳纳米管复合光催化剂，其特征在于：所述桑葚状钒酸铋
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碳纳米管复合光催化剂包括桑葚状钒酸铋和通过共价键复合的钒酸铋表面的碳纳米管，钒酸铋和碳纳米管的质量比为1：0.01
‑
0.50，所述钒酸铋为纳米颗粒组装而成的桑葚状结构，纳米颗粒粒径在50
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100nm之间，桑葚状结构直径为200
‑
800 nm，长度在0.5
‑
1.2 μm，钒酸铋为单斜白钨矿结构，碳纳米管为预先酸处理的碳纳米管。2.如权利要求1所述的桑葚状钒酸铋
‑
碳纳米管复合光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.将钒源加入浓度为0.5
‑
2mol/L的氢氧化钠水溶液中搅拌溶解，配制钒离子浓度为0.01
‑
0.3 mol/L的溶液A；S2.将铋盐加入多元醇中，搅拌至透明溶液，得到铋离子浓度为0.01
‑
0.3 mol/L的溶液B；S3.在持续搅拌状态下，将溶液A逐滴加入溶液B中控制钒：铋摩尔比为1：1，继续搅拌老化0.5
‑
2小时；S4.将步骤S3所得溶液于水热釜中进行水—溶剂热反应，其中水和多元醇的体积比为1：1.5
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4，反应温度为160
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200℃，反应时间4
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24小时，反应釜填充率50
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【专利技术属性】
技术研发人员：王丽，刘进，周华，崔伟娜，金坤，
申请(专利权)人：开封大学，
类型：发明
国别省市：