一种钴掺杂改性Ｂｅｔａ－氧化铋光催化剂的制备方法技术

本发明专利技术涉及环境科学与工程领域，具体为一种依靠可见光催化技术对水中有机污染物进行降解的钴掺杂改性Ｂｅｔａ－氧化铋光催化剂的制备方法。本发明专利技术方法中利用溶剂热法合成钴掺杂改性Ｂｅｔａ－氧化铋光催化剂，合成时将硝酸铋与硝酸钴的摩尔比控制在１０∶１～１６．７∶１，煅烧温度控制在４５０～５５０℃。用氙灯模拟可见光源进行光降解反应。该发明专利技术方法制备的光催化剂可在１．５小时内去除约５０％以上水体中２，４，６－三氯酚（２，４，６－ＴＣＰ）污染物（浓度为１０ｍｇ／Ｌ）。同时光催化剂制备过程简单，颗粒尺寸大，方便回收和重复利用；制作成本低廉，周期短效率高，因此具有很好的工业化应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及环境科学与工程领域，内容为一种钴掺杂改性Beta-氧化铋光催化剂 的降解活性考察及其合成方法，具体为一种依靠可见光催化技术对水中有机污染物进行降 解的钴掺杂改性Beta-氧化铋光催化剂的制备方法。
技术介绍
近年来，基于半导体光催化降解有机污染物为许多存在及潜在的环境问题提供了 可行的解决方案而引起了研究者极大的关注。半导体中存在价带和导带，在光照等外在因 素激发下，价带的电子吸收能量跃迁到导带，从而使导带上产生电子(e_)，同时价带失去电 子产生空穴OO，所产生的空穴和电子分别具有氧化性和还原性，进而引发氧化还原反应。 半导体光催化技术的主要应用包括对于环境保护领域中的污染物的处理以及光裂解水制 氢等方面。目前应用较多的光催化剂是具有高光敏性、低毒等优点的二氧化钛和氧化锌，但 是这些催化剂均存在光吸收能力不强的问题，一般只能吸收紫外线或近地紫外线辐射仅约 4%的太阳光，催化性能有待进一步提高；同时，应用较多的催化剂如纳米二氧化钛颗粒度 较小，无法实现从水体中的有效分离，回收率低，不能达到对水体的有效净化。因此，开发光 吸收能力强的大颗粒度可见光光催化剂是目前环境光催化研究领域的热点。以氧化铋作为基体的化合物，由于具有多种晶态，性能丰富，成为人们关注的焦 点。氧化铋(三氧化二铋，Bi2O3)作为最重要的铋化合物之一，其价带由02p和Bi6s轨道杂 化而成。其吸收光的能力较强，具有很好的光催化特性，同时氧化能力很强，能有效地氧化 有机污染物，因此具有很强的环境应用能力。目前氧化铋作为一种先进的功能粉体材料在 电子陶瓷粉体材料、电解质材料、光电材料、高温超导材料、催化剂材料等方面的应用均表 现出了较好的性能和应用潜力。通常认为Bi2O3具有α，β，Y和δ四种晶型。其中α， δ -Bi2O3是热力学稳定晶体形态。α -Bi2O3以单斜结构在730°C以下稳定存在；立方萤石结 构的δ-Bi2O3在730 825°C范围内稳定存在，在650°C下会出现具有四方结构(β)和体 心立方结构(Y)的亚稳相化合物。其中，半导体Beta-Bi2O3 (β-Bi2O3)具有较窄的带隙宽 度，有利于在可见光激发下产生光生电子-空穴对，有很好的应用前景。目前研究的热点集中于如何对Bi2O3进行改性，扩展其对可见光的响应范围，以更 好地发挥其光催化的性能。在光催化反应中，Bi2O3接受光的激发可以产生电子、空穴、羟基 自由基和氧负离子，而这些物质可以与污染物接触发生氧化还原反应，从而实现对污染物 的降解。目前，提高其光催化性能的方法是减少其中电子和空穴的复合，具体包括制作复合 型催化剂、掺杂金属离子、进行表面光敏化等。金属离子的掺杂可以提高半导体的催化作 用，同时也可以使半导体的吸收波长范围扩展到可见光区域。目前报道较多的包括掺杂钼 的钼氧化铋催化剂以及掺杂氧化钇的钇铋催化剂等。掺杂金属的光催化剂的制备方法主要 有浸渍法、沉淀法、液相还原法、溶剂化金属原子浸渍法、溶胶_凝胶法等。文献“负载钴催 化剂的合成及其催化环己烷和甲苯选择氧化的研究”中采用溶胶-凝胶法制备催化剂，并考 察了钴含量、焙烧温度等因素对于催化剂活性的影响。但目前关于钴掺杂改性Beta-氧化铋光催化剂粉体人工合成的研究报道很少，同时为了使催化剂有效地与水体分离，有必要 对其结构和形态进行进一步改善，提高光催化剂的回收率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，该 催化剂具有较高的光催化活性、颗粒尺寸大、多孔结构等优点，可以有效地降解水体中的 有机污染物。采用溶剂热合成法制备该催化剂，合成时硝酸铋与硝酸钴的摩尔比控制在 10 1 16.7 1 ；利用氙灯模拟可见光，作为反应的光源，制备的钴掺杂改性Beta-氧 化铋为光催化剂，能够实现对水体中氯酚类物质的高效降解，以达到去除水中氯酚类污染 物的目的。该方法中催化剂的制备过程简单，所得的催化剂颗粒尺寸大，便于回收和重复利 用；同时由于其制作成本低廉、周期短、效率高，具有很好的工业化应用前景。本专利技术的技术 方案如下一种用于降解水中氯酚类污染物的钴掺杂改性Beta-氧化铋光催化剂的制备方 法，步骤主要包括1)制备前驱体溶液将Pluronic P-123嵌段共聚体表面活性剂溶于2摩尔/升 的硝酸溶液中，其中Pluronic P-123浓度范围控制在0. 008 0. 016摩尔/升；在搅拌状 态下将五水硝酸铋溶解于上述溶液中，控制硝酸铋浓度为0. 3 0. 5摩尔/升；按照铋和钴 的摩尔比为10 1 16.7 1，在搅拌状态下将硝酸钴加入到上述硝酸铋的溶液中，继续 搅拌，得到玫红色前驱体溶液；2)水热合成过程将玫红色前驱体溶液在搅拌状态下于室温陈化3小时，之后转 移到含聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，密封高压釜，并将其置于150°C的真空干燥箱内 密闭晶化24小时；3)前驱体的制备从真空干燥箱中取出高压釜后，冷却至室温；取出晶化产物铋 钴复合物进行抽滤，所得的滤纸上的沉淀物用去离子水反复冲洗以去除残留的Pluronic P-123，之后将滤纸上的沉淀物置于120°C的环境中干燥，得到钴掺杂改性Beta-氧化铋粉 体的前驱体；4)催化剂制备将上述步骤3)中所得的前驱体粉末置于450 550°C的马弗炉内 高温煅烧3小时后，冷却，研磨，即得钴掺杂改性Beta-氧化铋粉体光催化剂。在该专利技术中，钴掺杂改性Beta-氧化铋光催化剂的制备步骤1)中所描述的钴 掺杂改性Beta-氧化铋光催化剂的制备方法中所用的非离子型表面活性剂(嵌段聚醚) Pluronic P-123，其结构式为PEO (20)-PPO (70)-PEO (20)，平均分子量为5800 ；1)中溶剂为 2摩尔/升的硝酸，与五水硝酸铋进行有效地络合，可以使水解反应更加缓和，得到比较均 勻的复合物溶胶；4)中钴掺杂改性Beta-氧化铋前驱体粉末在450 550°C的马弗炉内高 温煅烧3小时，使钴掺杂改性Beta-氧化铋粉体得到进一步的晶化。该专利技术中提供的钴掺杂改性Beta-氧化铋光催化剂的活性可用如下方法进行测 量称取一定量的钴掺杂改性Beta-氧化铋光催化剂粉体，按照催化剂与反应液体积 为20g/L的比例将其加入到2，4，6-三氯酚(2,4,6-TCP)溶液中，2，4，6-TCP的初始浓度为 10mg/L。在避光条件下超声分散约20分钟，使催化剂完全分散于溶液中形成乳浊液，并达到吸附饱和，取出样品。打开氙灯(模拟太阳光谱，500瓦)进行光催化反应，在整个反应过 程中，通过超声使反应液和催化剂混合均勻，同时通过循环水浴控制系统温度保持在25 35°C，定时取样，离心去除催化剂颗粒，用高效液相色谱仪对反应液进行分析，降解率(％ ) 按照(有机物去除浓度/有机物初始浓度)X 100%进行计算。本专利技术提供的钴掺杂改性Beta-氧化铋光催化剂的制备方法具有如下优点1.结构疏松多孔，表面积大，可以与有机污染物充分接触，颗粒度较大，容易回收 和重复利用，避免直接流入环境造成二次污染；2.以氙灯为光源，模拟在可见光条件下催化剂对有机污染物的降解过程，此过程 不需加入其他氧化剂，节省成本；3.该催化剂的制备过程简单方便，催化活性高，成本低廉，利于工业化生产；4本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于降解水中有机污染物的钴掺杂改性Ｂｅｔａ－氧化铋光催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：１）制备前驱体溶液：将Ｐｌｕｒｏｎｉｃ　Ｐ－１２３嵌段共聚体表面活性剂溶于２摩尔／升的硝酸溶液中，其中Ｐｌｕｒｏｎｉｃ　Ｐ－１２３浓度范围控制在０．００８～０．０１６摩尔／升；在搅拌状态下将五水硝酸铋溶解于上述溶液中，控制硝酸铋浓度为０．３～０．５摩尔／升；按照铋和钴的摩尔比为１０∶１～１６．７∶１，在搅拌状态下将硝酸钴加入到上述硝酸铋的溶液中，继续搅拌，得到玫红色前驱体溶液；２）水热合成过程：将玫红色前驱体溶液在搅拌状态下于室温陈化３小时，之后转移到含聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，密封高压釜，并将其置于１５０℃的真空干燥箱内密闭晶化２４小时；３）前驱体的制备：从真空干燥箱中取出高压釜后，冷却至室温；取出晶化产物铋钴复合物进行抽滤，所得的滤纸上的沉淀物用去离子水反复冲洗避免残留的Ｐｌｕｒｏｎｉｃ　Ｐ－１２３存在于沉淀物中，之后置于１２０℃的环境中干燥，得到钴掺杂改性Ｂｅｔａ－氧化铋粉体的前驱体；４）催化剂制备：将上述步骤３）中所得的前驱体粉末置于４５０～５５０℃的马弗炉内高温煅烧３小时后，冷却，研磨，即得钴掺杂改性Ｂｅｔａ－氧化铋粉体光催化剂。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：牛军峰，包月平，殷立峰，沈珍瑶，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]