一种钒酸铋光催化剂及其制备方法与应用技术

本申请涉及一种钒酸铋光催化剂及其制备方法与应用，钒酸铋光催化剂的制备方法，包括如下步骤：将NH4VO3和Bi(NO3)3·

【技术实现步骤摘要】
一种钒酸铋光催化剂及其制备方法与应用


[0001]本申请属于光催化剂
，尤其是涉及一种钒酸铋光催化剂及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]基于半导体材料的光催化水分解是缓解能源危机和改善环境污染的有效方法。水分解反应分为析氢和析氧两个半反应，与二电子的析氢反应(HER)相比，涉及四电子的析氧反应(OER)更难发生，它是水分解的限速步骤，因此，提高太阳能转换效率的关键就在于设计高效的半导体产氧光催化剂。目前，有许多光催化产氧催化剂已被广泛研究，如BiVO4、WO3和TiO2。其中，BiVO4由于其晶体结构的高稳定性、高光量子和电子传输效率以及出色的能量利用效率，目前已被确定为是一种用于能源应用和水修复的高效光催化剂。
[0003]然而，目前的BiVO4在水分解方面仍然存在一些缺陷，如光生载流子复合率较高、缺少光催化水分解的反应活性位点，这些问题导致了光催化水氧化速率缓慢。本领域技术人员普遍认为，催化剂的形态特征是获得高效光催化活性的重要因素，关于BiVO4形态对其光催化活性的影响，目前也有许多探索。例如：Hu等人(Hu,J.et al.Highly symmetrical,24
‑
faceted,concave BiVO
4 polyhedron bounded by multiple high
‑
index facets for prominent photocatalytic O
2 evolution under visible light.Chem Commun(Camb)55,4777
‑
4780,doi:10.1039/c9cc01366k(2019))制备了一种高度对称的24面凹型BiVO4多面体，在没有任何助催化剂的情况下，24面体BiVO4比本体材料的析氧活性高出了两个数量级以上，在420nm的光照射下，测得O2析出的相应表观量子产率(AQY)高达30.7％；wu等人(Wu,M.,Jing,Q.,Feng,X.&Chen,L.BiVO
4 microstructures with various morphologies:Synthesis and characterization.Applied Surface Science 427,525
‑
532,doi:10.1016/j.apsusc.2017.07.299(2018).)成功地制备了具有哑铃状、棒状、椭球状、球形和饼状形貌的BiVO4，结果表明，饼状BiVO4由于其具有较高的比表面积和独特的形貌，使其表现出更高的光催化活性；此外，Wu等人(Wu,Z.et al.Surfactants
‑
assisted preparation of BiVO
4 with novel morphologies via microwave method and CdS decoration for enhanced photocatalytic properties.J Hazard Mater387,122019,doi:10.1016/j.jhazmat.2020.122019(2020).)采用表面活性剂辅助微波法制备了具有不同形貌的BiVO4，分别呈现出不规则形貌(无表面活性剂)、八面体(十二烷基苯磺酸钠)、橄榄状(聚乙烯吡咯烷酮)和中空结构(乙二胺四乙酸)，并发现中空结构的BiVO4对有机物的降解效率最高，虽然以上研究均是通过调节BiVO4的形貌来提高其光催化活性，然而，目前报道的合成方法大多成本较高、步骤复杂或者使用了难以去除的表面活性剂，这无论是从成本还是环境方面考虑，都不是最佳的解决方案。与上述方法相比，水热法更加高效、成本低廉、操作方便且环保，但是目前的水热法对获得较大比表面积特定形貌的BiVO4及对BiVO4的高指数暴露晶面控制仍较为困难，且制备的BiVO4光催化产氧活性较低。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是：为解决现有水热法对获得较大比表面积特定形貌的BiVO4及对BiVO4的高指数暴露晶面控制较为困难，且制备的BiVO4光催化产氧活性较低等的不足，从而提供一种钒酸铋光催化剂及其制备方法与应用。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006]一种钒酸铋光催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0007]S1：将NH4VO3和Bi(NO3)3·
5H2O溶解在强酸水溶液中，加入氨试剂，调节溶液的pH值为2.0
‑
6.0；
[0008]S2：待出现沉淀物，陈化后，将沉淀物转移到反应容器中进行水热反应；
[0009]S3：水热反应结束后，冷却反应液，过滤出沉淀物，洗涤、干燥，得到钒酸铋光催化剂。
[0010]优选地，所述S1步骤中，加入氨试剂，调节溶液的pH值为2.0。
[0011]优选地，所述氨试剂为氨水或氢氧化钠溶液。
[0012]进一步，所述氨试剂的浓度为0.01
‑
0.05M。
[0013]优选地，所述强酸水溶液为HNO3溶液或HCl溶液。
[0014]进一步，所述强酸水溶液的浓度为1.5
‑
2.5M。
[0015]优选地，所述S2步骤的反应容器为高压反应釜。
[0016]优选地，所述S2步骤中水热反应的温度为160～210℃，优选为200℃。
[0017]优选地，所述S2步骤中陈化的时间为1.5～5h，优选为3h。
[0018]优选地，所述S3步骤中的洗涤方法为先水洗、再醇洗。
[0019]优选地，所述S3步骤中的干燥条件为在40
‑
80℃温度下真空中干燥。
[0020]本专利技术还提供一种上述方法制备的钒酸铋光催化剂，所述钒酸铋光催化剂的化学式为BiVO4，其形貌为鱼骨状或含羽毛状和不规则块状，其暴露的特定晶面为(112)晶面。
[0021]本专利技术还提供一种上述钒酸铋光催化剂在光催化水分解中的应用。
[0022]本专利技术的有益效果是：
[0023]本专利技术以NH4VO3、Bi(NO3)3·
5H2O、强酸、氨试剂为原料，利用简单的水热法，合成了鱼骨状或含羽毛状和不规则块状的BiVO4，这能够为光催化水分解提供更多的反应活性位点，同时择优暴露的高指数(112)活性晶面，不仅在能量上有利于水的分解，而且可显著降低光催化水分解反应过程中的过电位，表现出优异的光催化水氧化活性；尤其是鱼骨状BiVO4这种新颖的形貌赋予了样品较大的比表面积，特殊的形貌和较高的结晶度，提高了光捕获和电荷载流子的分离效率，使得这种鱼骨状BiVO4表现出比其它形态(如十面体状、块状、仙人掌状、棒状或球状)更加优异的光催化水氧化性能。
附图说明
[0024]下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。
[0025]图1为实施例1...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钒酸铋光催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：将NH4VO3和Bi(NO3)3·
5H2O溶解在强酸水溶液中，加入氨试剂，调节溶液的pH值为2.0
‑
6.0；S2：待出现沉淀物，陈化后，将沉淀物转移到反应容器中进行水热反应；S3：水热反应结束后，冷却反应液，过滤出沉淀物，洗涤、干燥，得到钒酸铋光催化剂。2.根据权利要求1所述的钒酸铋光催化剂的制备方法，其特征在于，所述S1步骤中，加入氨试剂，调节溶液的pH值为2.0。3.根据权利要求1或2所述的钒酸铋光催化剂的制备方法，其特征在于，所述氨试剂为氨水或氢氧化钠溶液，所述氨试剂的浓度优选为0.01
‑
0.05M。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的钒酸铋光催化剂的制备方法，其特征在于，所述强酸水溶液为HNO3溶液或HCl溶液，所述强酸水溶液的浓度优选为1.5
‑
2.5M。5.根据权利要求1
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘太丰，张青岩，刘汝月，杨建军，
申请(专利权)人：河南大学，
类型：发明
国别省市：