一种石墨烯/钨酸铋片层纳米结构可见光催化材料的制备方法及其硅改性方法技术

本发明专利技术涉及一种石墨烯/钨酸铋片层纳米结构可见光催化材料的制备方法及其硅改性方法，该方法以硝酸铋、钨酸盐、正硅酸乙酯和石墨烯为原料，通过有机电解质辅助水热、低温冷冻，陈化、洗涤、干燥等步骤制备了石墨烯/钨酸铋片层纳米结构太阳光催化材料，进一步用硅改性增强该材料的催化性能。本发明专利技术最大的特点是利用低温冷冻有机电解质辅助水热法获得了具有强吸附、高活性石墨烯/钨酸铋片层可见光催化材料，并通过硅改性进一步提高石墨烯/钨酸铋片层结构的性能。所述催化材料可应用于污水处理、光降解水、空气净化和太阳能电池等领域。

【技术实现步骤摘要】
—种石墨烯/钨酸铋片层纳米结构可见光催化材料的制备方法及其硅改性方法
本专利技术属于光催化材料领域，涉及。
技术介绍
钨酸铋(Bi2WO6)是由八面体的WOf^PBi2O2层积累而成的一种典型η型半导体，拥有极好的化学性能、独特的铁电性能、催化性能和非线性电介质磁化系数等性质，是一种很好的可见光催化剂材料。自从1999年Kudo和Hijii首次报道钨酸铋具有光催化分解水的活性以来，已引起了世界各国科学工作者的广泛关注。Bi2WO6的价带是由Bi6s和02p杂化轨道组成，而导带由W5d轨道组成，使得禁带宽度较窄(约为2.69 eV)，对460 nm以下的波长有较好的光吸收性能。另外，Bi6s和02p轨道杂化使得价带更为分散，有利于光生空穴在价带上的移动，阻碍其与光生电子的复合，提高对有机污染物的光催化氧化反应。研究表明，无论是在水中还是空气中，Bi2WO6可催化矿化有机染料，如苯酚、乙醛、苯、氨等污染物，在水处理和环境保护等领域中具有很大的商业价值和应用前景。然而，由于钨酸铋材料的光量子产率低，产生的光生电子-空穴对易复合，显示出较低的光催化效率。此外，钨和铋是稀有金属，价格较贵，从而限制着钨酸铋在工业上的广泛应用。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种在太阳光下具有强吸附、高催化活性的石墨烯/钨酸铋片层纳米结构可见光催化材料的制备方法及其硅改性方法。本专利技术以石墨烯为载体，利用钨酸铋和硅改性钨酸铋片层结构修饰石墨烯，从而构成一种在太阳光下具有强吸附、高光催化活性的新型纳米衍生材料。本专利技术的技术构思是:通过有机电解质修饰石墨烯，利用有机电解质的特殊性质获得钨酸铋纳米片层，以及增强石墨烯与钨酸铋片层之间的结合。在此基础上，利用硅改性钨酸铋片层来进一步提高光催化性能和降低成本，促进其应用。石墨烯是由单层或几层碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状晶格结构碳质材料，具有巨大的比表面积(理论计算值2630 m2.g^1);在已测试材料中，石墨烯的强度是最高，达130 Gpa，是钢的100多倍；其载流子迁移率达15000 cm2 *V--1 ^--1，是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材料的两倍，超过商用硅片迁移率的10倍以上，是纳米催化剂的理想载体。特别是石墨烯中含有大量未成对的可自由移动电子，拥有比较大的电子存储能量，能捕获和传导光激发电子，妨碍或阻止半导体催化剂中光激发电子和空穴对的复合，提高光催化性能。此外，石墨烯比表面积大，能有效地阻止纳米催化剂团聚和增大其表面积，提高材料的吸附能力。因此，用石墨烯增强钨酸铋，有望获得强吸附、高效可见光催化材料，在污水处理、环境保护和太阳能电池等领域具有广泛的应用前景。为实现本专利技术，本专利技术的技术方案是:一种石墨烯/钨酸铋片层纳米结构可见光催化材料的制备方法，具体步骤为: (1)将ImL~15 mL浓度为0.lg/L^l.2 g/L的石墨烯溶液加入到40mL~100mL去离子水中超声分散20 min~40 min,得石墨烯分散液； (2)所述石墨烯分散液在0°C-40°C下超声分散15min~30 min，得到分散均匀的溶液； (3)在所述分散均匀的溶液中加入0.1g~4 g鹤酸盐、由0.5g~3g聚丙烯酸和0.1g Ig十六烷基三甲基溴化铵组成的有机电解质，搅拌溶解后，在35°C~50°C的温度下继续超声搅拌15 min~60 min，然后在_20°C~0 °C的温度下冷冻lh~24 h，再加入0.485g~1.94 g铋盐，超声搅拌20 min~30 min，得分散均匀的胶状液体； (4)将所述胶状液体在20°C~40°C下陈化0.5 h~5 h，然后转入反应釜中反应6 h~18h，反应温度为90°C~180°C，得反应物； (5)将所述反应物自然冷却至室温，过滤并用蒸馏水和无水乙醇洗涤5飞次，得洗涤物；将洗涤物在60°C~80°C下烘烤12小时~24小时，然后研磨后得产物。步骤(1)所述石墨烯优选为氧化石墨烯和还原氧化石墨烯。步骤(3)所述钨酸盐优选为钨酸钠或钨酸铵，所述铋盐为硝酸铋。一种石墨烯/钨酸铋片层纳米结构可见光催化材料的硅改性方法，与上述制备方法的步骤相同，仅在步骤(2)所述石墨烯分散液中加入I mL -5 mL的硅酸酯。所述硅酸酯优选为正硅酸乙酯。本专利技术的原理是:以硝酸铋、钨酸盐、石墨烯和正硅酸乙酯为原料，聚丙烯酸和十六烷基三甲基溴化铵为有机电解质，使用有机电解质辅助水热法制备石墨烯/钨酸铋片层可见光催化材料。通过有机电解质修饰提高石墨烯的分散和表面活性，增强石墨烯与钨酸铋之间的相互作用；同时依靠有机电解质的性质，实现钨酸铋纳米材料在石墨烯片上均匀沉积，形成以石墨烯为模板的片层可见光催化材料。石墨烯的特殊结构和优异性能，增加了钨酸铋的光量子产率及降低其光生电子-空穴对的复合，提高其光催化性能。另外，使用娃改性石墨稀/鹤酸秘片层，使娃和鹤酸秘形成有效结合，进一步提闻石墨稀/鹤酸秘片层结构的光催化性能，以及降低制备成本，从而促进其应用。本专利技术所用的十六烷基三甲基溴化铵和聚丙烯酸分别属于阳离子和阴离子表面活性剂，通过静电相互作用很容易形成聚合体，在低温下这些有机聚合体会形成线状并附着在石墨稀上，实现表面功能化石墨稀，增加了石墨稀的表面活性。石墨稀片上的有机电解质很容易吸引溶液中的金属Bi离子，这些Bi离子与加入的钨酸根离子生成钨酸铋沉淀(Bi3++W042_ — Bi2WO6)，这些钨酸铋进一步成核长大，生长成纳米片层结构附着在石墨烯片上。石墨烯具有较大的比表面积和高的导电性能，很容易捕获钨酸铋片层中的光生电子，降低光生电子和空穴对之间的复合，提高光催化效率；同时石墨烯巨大的比表面积能增大钨酸铋片层的比表面积，增强吸附能力。因此，获得强吸附、高活性石墨烯/钨酸铋片层可见光催化材料。另外，氧化硅是一种多孔材料，常用来作催化剂载体提高纳米催化剂的比表面积。本专利技术利用正硅酸乙酯水解生成二氧化硅(如Si (C2H5O)4+2H20=4C2H50H+Si02)，提高表面积；同时正硅酸乙酯容易与Bi离子发生化学反应形成中间状态(如Bi3++Si (OC2H5)4 —Bi2SiO22),将进一步提高其光催化性能。·与现有技术相比，本专利技术的优势在于: 1、通过十六烷基三甲基溴化铵和聚丙烯酸组成的有机电解质修饰提高石墨烯的分散和表面活性，增强石墨烯与钨酸铋之间的相互作用；同时依靠有机电解质的性质，实现钨酸铋纳米材料在石墨烯片上均匀沉积，形成以石墨烯为模板的片层可见光催化材料。2、本专利技术使用硅改性石墨烯/钨酸铋纳米片，通过Si与Bi之间形成中间产物，提高石墨烯/钨酸铋纳米片的光催化效率，将大大降低其使用成本，从而促进其在污水处理、环境保护和太阳能电池等领域中的应用。【附图说明】图1是实施例1石墨烯/钨酸铋片层纳米结构可见光催化材料的SEM图像； 图2是实施例1石墨烯/钨酸铋片层纳米结构可见光催化材料的TEM图像； 图3是实施例2石墨烯/钨酸铋片层纳米结构可见光催化材料的SEM图像； 图4是实施例2石墨烯/钨酸铋片层纳米结构可见光催化材料的TEM图像； 图5是实施例1和例2石墨烯/钨酸铋片层纳米结构可见光催化材料的XRD图；其中a是本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯/钨酸铋片层纳米结构可见光催化材料的制备方法，其特征是，具体步骤为：（1）将1?mL~15?mL浓度为0.1g/L~1.2?g/L的石墨烯溶液加入到40mL~100mL去离子水中超声分散20?min?~40?min，得石墨烯分散液；（2）所述石墨烯分散液在0℃?40℃下超声分散15?min?~30?min，得到分散均匀的溶液；（3）在所述分散均匀的溶液中加入0.1g?~4.0?g钨酸盐、由0.5g~3g聚丙烯酸和0.1g?~1?g十六烷基三甲基溴化铵组成的有机电解质，搅拌溶解后，在35℃~50℃的温度下继续超声搅拌15?min?~60?min，然后在?20℃~0?℃的温度下冷冻1h~24?h，再加入0.485g~1.94?g铋盐，超声搅拌20?min?~30?min，得分散均匀的胶状液体；（4）将所述胶状液体在20℃~40℃下陈化0.5?h?~5?h，然后转入反应釜中反应6?h?~18?h，反应温度为90℃~180℃，得反应物；（5）将所述反应物自然冷却至室温，过滤并用蒸馏水和无水乙醇洗涤5~6次，得洗涤物；将洗涤物在60℃~80℃下烘烤12小时~24小时，然后研磨后得产物。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯/钨酸铋片层纳米结构可见光催化材料的制备方法，其特征是，具体步骤为: (1)将ImL?15 mL浓度为0.lg/L?1.2 g/L的石墨烯溶液加入到40mL?100mL去离子水中超声分散20 min?40 min,得石墨烯分散液； (2)所述石墨烯分散液在0°C-40°C下超声分散15min?30 min，得到分散均匀的溶液； (3)在所述分散均勻的溶液中加入0.1g?4.0 g鹤酸盐、由0.5g?3g聚丙烯酸和0.1g g十六烷基三甲基溴化铵组成的有机电解质，搅拌溶解后，在35°C?50°C的温度下继续超声搅拌15 min?60 min，然后在_20°C?O °C的温度下冷冻lh?24 h，再加入0.485g?1.94g秘盐，超声搅拌20 min?30 min,得分散均勻的胶状液体； (4)将所述胶状液体在20°C?40°C下陈化0.5 h飞h，然后转入...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈传盛，谢小缔，刘天贵，曹时义，肖依，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：