一种铋/钒酸铋复合光催化剂及其制备方法和在光催化降解有机物中的应用技术

本发明专利技术公开了一种铋/钒酸铋复合光催化剂及其制备方法和在光催化降解有机物中的应用，该铋/钒酸铋复合光催化剂由纳米铋颗粒原位生长在钒酸铋颗粒表面形成，其制备方法是将含钒源的水溶液和含铋源的乙二醇溶液混合后，进行溶剂热反应，得到钒酸铋；所述钒酸铋分散至水中，得到钒酸铋分散液，所述钒酸铋分散液与还原剂溶液混合后，进行水热反应，即得光吸收范围宽、可见光利用率高、光催化活性高的铋/钒酸铋复合光催化剂，相比于钒酸铋催化剂而言，在光催化降解有机物方面具有更高的催化活性，且铋/钒酸铋复合光催化剂的合成方法简单，原料廉价易得，生产成本较低。

【技术实现步骤摘要】
一种铋/钒酸铋复合光催化剂及其制备方法和在光催化降解有机物中的应用
本专利技术涉及一种钒酸铋光催化剂，特别涉及一种铋修饰的钒酸铋复合光催化剂，及水热合成铋/钒酸铋复合光催化剂的方法和铋/钒酸铋复合光催化剂在光催化降解有机物中的应用，属于光催化

技术介绍
光催化技术是指催化剂在光照条件下将光能转化为化学反应所需要的能量，进而产生催化作用，是一种新型高效节能环保技术。其中，光催化降解是利用光辐射在反应体系中产生活泼的自由基，通过与有机污染物进行加合、取代及电子转移等过程将有机污染物分解为无毒或低毒的无机物。光催化降解因其具有反应条件温和、无二次污染、直接利用太阳光能等优势成为治理有机污染物的研究热点。自1972年Fujishima和Honda等报道了TiO2可以在紫外光照条件下将水催化分解产生氢气以来[FujishimaA,HondaK.Photolysis-decompositionofwateratthesurfaceofanirradiatedsemiconductor[J].Nature,1972,238(5385):37-38.]，人们对TiO2进行了大量研究，Carey等发现TiO2作为半导体光催化剂可以有效降解有机污染物，并且具有催化活性高、安全无毒、性质稳定等优点[CareyJH,LawrenceJ,TosineHM.PhotodechlorinationofPCB'sinthepresenceoftitaniumdioxideinaqueoussuspensions[J].BulletinofEnvironmentalContaminationandToxicology,1976,16(6):697-701.]。但是TiO2的禁带宽度大(3.2eV)，只能利用紫外光进行光降解，对太阳光(紫外光部分占不到10％)的利用率低，在一定程度上限制了的TiO2的应用。近几年，钒酸铋作为一种非TiO2基可见光半导体催化剂，禁带宽度(单斜相)2.4eV，无毒，价廉，色泽好，同时还具有很多优异的物理化学性质，因而在光催化领域引起了广泛的关注。尽管钒酸铋有较好的可见光吸收特性，但仍存在表面吸附能力弱，光生空穴和电子易于复合等问题，导致实际的量子效率不高。因此，人们采取不同的方法和手段对钒酸铋进行改性，主要包括沉积贵金属、掺杂以及形成复合物异质结。研究表明，在钒酸铋表面沉积贵金属纳米颗粒可以抑制光生电子-空穴的复合，显著提高钒酸铋的光催化活性[CaoSW,YinZ,BarberJ,etal.PreparationofAu-BiVO4heterogeneousnanostructuresashighlyefficientvisible-lightphotocatalysts[J].ACSappliedmaterials&interfaces,2011,4(1):418-423.]。掺杂是提高光催化活性的重要途径之一。通过元素的掺杂，不仅可以提高钒酸铋对可见光的吸收，而且可以有效的捕获光生电子和空穴，抑制了光生载流子的复合，提高了光催化效率。除此之外，构造半导体异质结是提高钒酸铋光生载流子分离效率的另一种有效途径。将两种晶格匹配的半导体材料依靠某种强相互作用复合在一起，在接触处会形成明显的界面，界面电场的驱动能够使光生载流子有效分离。目前已经制备了很多以钒酸铋为基础的复合物异质结，其中包括BiVO4/Bi2S3[GaoX,WuHB,ZhengL,etal.FormationofmesoporousheterostructuredBiVO4/Bi2S3hollowdiscoidswithenhancedphotoactivity[J].AngewandteChemieInternationalEdition,2014,53(23):5917-5921.]等异质结构。尽管通过贵金属沉积、元素掺杂、构建异质结等手段大大提高了钒酸铋的光催化活性，但还是存在诸多的问题。例如：沉积贵金属将会增加催化剂的成本；常规方法所制备的异质结质量差(如结合不牢固、均匀性差)等。因此，开发简单、制备价格低廉、高质量、高活性的可见光催化剂仍是重要的研究方向。
技术实现思路
针对现有技术中钒酸铋光催化材料存在电子-空穴对易复合导致量子产率不高等技术缺陷，本专利技术的目的是在于提供一种光吸收范围宽、可见光利用率高、光催化活性高的铋/钒酸铋复合光催化剂。本专利技术的另一个目的是在于提供一种操作简单、环保、经济的制备所述铋/钒酸铋复合光催化剂的方法。本专利技术的第三个目的是在于提供所述铋/钒酸铋复合光催化剂在光催化降解降解有机物中的应用，表现出可见光利用率高，催化活性高等特点，特别适应于有机染料降解，如有机染料罗丹明B等。为了实现上述技术目的，本专利技术提供了一种铋/钒酸铋复合光催化剂，该铋/钒酸铋复合光催化剂由纳米铋颗粒原位生长在钒酸铋颗粒表面形成。本专利技术的铋/钒酸铋复合光催化剂关键在于在钒酸铋表面均匀修饰金属纳米铋颗粒，纳米铋颗粒不仅有金属特点，还有半金属特点，半金属的能带特点就是它的导带和价带之间有一小部分重叠，不需要激发，价带顶部的电子会流入导带底部，因此，在可见光甚至无光时，导带中就已有一定的电子浓度，价带中也有相等的空穴浓度，从而产生了具有高度活性的电子-空穴对，单质金属铋与钒酸铋都具有可见光响应的特点，两者协同增效作用明显增强，金属铋作为电子接受体，可以提高光生电子和空穴的分离效率，从而提高光催化剂的光催化性能。本专利技术的铋/钒酸铋复合光催化剂中纳米铋颗粒通过原位生长在钒酸铋表面，其分布均匀，且结合力强，稳定性好。优选的方案，所述钒酸铋为单斜白钨矿型。大量实验表明单斜白钨矿型的钒酸铋比立方锆石型、立方白钨矿型等钒酸铋具有更好的光催化活性。优选的方案，所述钒酸铋颗粒的粒径为1μm～1.5μm；所述纳米铋颗粒的粒径为10nm～100nm，且粒径分布相对均匀。纳米级铋颗粒均匀分散在微米级钒酸铋颗粒表面，铋作为电子接受体，提高电子和空穴的分离效率，同时催化剂比表面积增大，活性位点增多，对有机质的吸附能力增强，促进有机质底物在催化剂活性中心富集，有利提高催化反应效率。优选的方案，所述铋/钒酸铋复合光催化剂中纳米铋颗粒的质量百分比含量为5～30％。纳米铋颗粒的质量百分比含量可以在该范围内任意调节。本专利技术还提供了一种铋/钒酸铋复合光催化剂的制备方法，该方法是将含钒源的水溶液和含铋源的乙二醇溶液混合后，在140℃～180℃进行溶剂热反应，得到钒酸铋；所述钒酸铋分散至水中，得到钒酸铋分散液，所述钒酸铋分散液与还原剂溶液混合后，在120℃～160℃进行水热反应，即得。本专利技术的技术方案，关键在于：先在乙二醇和水混合溶剂中进行溶剂热反应，得到微米级别，且粒径分布均匀，具有单斜白钨矿型晶相的钒酸铋，再以所述钒酸铋为模板，采用还原剂通过水热法进行原位还原，将钒酸铋表面进行部分还原原位生成纳米铋颗粒，纳米铋颗粒分布均匀、与钒酸铋结合能力强，特别是该方法可以实现铋的修饰量可控，可以通过调控温度、还原剂用量等条件，即可实现铋修饰量的可控。优选的方案，所述含钒源的水溶液与含铋源的乙二醇溶液按铋与钒摩尔比1:1～1:2.5混合，且所述含钒源的水溶液与含铋源的乙二醇本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铋/钒酸铋复合光催化剂，其特征在于：由纳米铋颗粒原位生长在钒酸铋颗粒表面形成。

【技术特征摘要】
1.一种铋/钒酸铋复合光催化剂，其特征在于：由纳米铋颗粒原位生长在钒酸铋颗粒表面形成。2.根据权利要求1所述的铋/钒酸铋复合光催化剂，其特征在于：所述钒酸铋颗粒的粒径为1μm～1.5μm，所述钒酸铋颗粒为单斜白钨矿型；所述纳米铋颗粒的粒径为10nm～100nm。3.根据权利要求1或2所述的铋/钒酸铋复合光催化剂，其特征在于：所述铋/钒酸铋复合光催化剂中纳米铋颗粒的质量百分比含量为5～30％。4.权利要求1～3任一项所述的铋/钒酸铋复合光催化剂的制备方法，其特征在于：将含钒源的水溶液和含铋源的乙二醇溶液混合后，在140℃～180℃进行溶剂热反应，得到钒酸铋；所述钒酸铋分散至水中，得到钒酸铋分散液，所述钒酸铋分散液与还原剂溶液混合后，在120℃～160℃进行水热反应，即得。5.根据权利要求4所述的铋/钒酸铋复合光催化剂的制备方法，其特征在于：所述含钒源的水溶液与含铋源的乙二醇溶液按铋与钒摩尔比1:1～1:2.5混合，且所述含钒源的水溶液...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈立妙，吴敏，景奇锋，丰欣妍，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43