專利名稱：一種微波水熱法合成碳摻雜BiVO₄ 光催化劑的方法
一種微波水熱法合成碳摻雜BiVO4光催化劑的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功能材料領(lǐng)域，具體涉及一種微波水熱法合成碳摻雜BiVO4光催化劑的方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著全球經(jīng)濟的飛速發(fā)展，全球環(huán)境污染問題和可持續(xù)能源短缺問題日益嚴重，因此，尋求一種治理環(huán)境和解決能源問題的有效途徑，已成為全世界急待解決的問題。許多金屬氧化物半導(dǎo)體材料如BiV04、BiffO6, Bi203、WO3> Fe2O3> Cu2O等因既能光催化降解污染物又能光分解水制氫、制氧而得到了廣泛的關(guān)注。其中，BiVO4因其較窄的帶隙(約2. 4eV)、較高的光化學(xué)穩(wěn)定性、較強的氧化還原能力及無毒、成本低等優(yōu)點而被越來越多的 應(yīng)用于可見光光催化研究。[張愛平，張進治.分子催化.2010，51-56.]但是，由于純BiVO4催化劑的載流子復(fù)合率高、量子效率低而導(dǎo)致其光催化活性較低，這大大限制了其在光催化氧化有機污染物和光分解水等領(lǐng)域的應(yīng)用。為此，人們采用了多種手段對BiVO4進行改性，其中離子摻雜被認為是一種有效的改性手段。例如Ge采用注入法合成了 Pd/BiV04可見光響應(yīng)型光催化劑。[Ge, L. Materials Chemistry and Physics, 2008，107:465-470]。Xu等人研究了一系列稀土元素(Ho、Sm、Yb、Eu、Gd、Nd、Ce、La)摻雜BiVO4粉體的光催化性能[Xu, H. , et al. AppliedSurface Science, 2009，256:597-602]。Duk Kyu Lee 等人以鹿糖為碳源采用浸潰法制備了碳摻雜的f凡酸秘。[Duk Kyu Lee, In-Sun Cho. Materials Chemistryand Physics, 2010，119:106 111]。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種微波水熱法合成碳摻雜BiVO4光催化劑的方法，該制備方法操作簡單，反應(yīng)速度快，無需煅燒處理，制得的粉體粒徑均勻，且光催化性能良好。為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種微波水熱法合成碳摻雜BiVO4光催化劑的方法，包括以下步驟步驟1:將Bi (NO3) 3 · 5H20溶于去離子水中，攪拌均勻，得鉍鹽溶液，將NH4VO3溶于去離子水中，加熱攪拌均勻，得釩鹽溶液，將鉍鹽溶液和釩鹽溶液按照B1: V=1:1的摩爾比混合，形成混合液；步驟2 :將 C6H12O6 按照 C6H12O6IBi (NO3)3 · 5Η20=(0· θΓθ. 15) :1 的摩爾比加入到混合液中，攪拌均勻，形成前驅(qū)體；步驟3 :將前驅(qū)體放入反應(yīng)釜中，將反應(yīng)釜放到微波水熱儀中，微波水熱反應(yīng)至反應(yīng)完全，反應(yīng)完成后將生成的黃色沉淀取出，洗滌、干燥，得到碳摻雜BiVO4光催化劑。本發(fā)明進一步的改進在于步驟3中微波水熱法的具體工藝為選擇微波控溫模式室溫至100°c，微波功率為300W，100°C保溫6min ;100°C至150°C，微波功率為300W，150 V保溫6min ; 150 V至200 V，微波功率為300W，200 V保溫為40min，200 V保溫時的壓力為 2. 3MPa。
本發(fā)明進一步的改進在于所述的步驟I中Bi(NO3)3 · 5H20和NH4VO3的用量均為
O.Olmolο本發(fā)明進一步的改進在于所述的步驟I中將Bi (NO3)3 · 5H20溶于去離子水中攪拌 40min。本發(fā)明進一步的改進在于所述的步驟I中將NH4VO3溶于90°C的去離子水中加熱攪拌30min。本發(fā)明進一步的改進在于步驟I中鉍鹽溶液中Bi的濃度為O. 4mol/L，釩鹽溶液中V的濃度為O. 4mol/L本發(fā)明進一步的改進在于所述 的步驟2中的攪拌為磁力攪拌20min。本發(fā)明進一步的改進在于所述的步驟3中的洗滌為用去離子水和無水乙醇各洗滌3次。本發(fā)明進一步的改進在于所述的步驟3中的干燥為在70°C下干燥10h。本發(fā)明進一步的改進在于步驟2 中 C6H12O6 Bi (NO3)3 · 5H20=0. 05:1 或 C6H12O6 Bi(NO3)3 · 5H20=0. 15:1。本發(fā)明進一步的改進在于步驟2 中 C6H12O6 Bi (NO3)3 · 5H20=0. 05:1 或 C6H12O6 Bi(NO3)3 · 5H20=0. 15:1。本發(fā)明進一步的改進在于步驟3所得碳摻雜BiVO4光催化劑為單斜相。本發(fā)明的進一步改進在于所述的步驟3中的反應(yīng)釜的內(nèi)襯為聚四氟乙烯材質(zhì)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明以Bi (NO3) 3 · 5H20為鉍源，以NH4VO3為釩源，以葡萄糖(C6H12O6)為碳源，采用微波水熱法一步合成碳摻雜BiVO4光催化劑，本發(fā)明的制備方法反應(yīng)速度快，無需煅燒，操作簡單，成本較低，制得的碳摻雜BiVO4光催化劑為單斜相和四方相兩種晶相，其中單斜相的碳摻雜BiVO4光催化劑在紫外光和可見光照射下的光催化活性均明顯高于同等條件下制得的BiVO4粉體，四方相的碳摻雜BiVO4光催化劑在紫外光下的光催化活性明顯高于同等條件下制得的BiVO4粉體，達到了對BiVO4進行改性的目的。

圖1是本發(fā)明制備的碳摻雜BiVO4光催化劑的XRD圖譜，其中圓點表示單斜相BiVO4峰，菱形表示四方相BiVO4峰；圖2是本發(fā)明制備的碳摻雜BiVO4光催化劑的紫外光光催化性能圖；圖3是本發(fā)明制備的碳摻雜BiVO4光催化劑的可見光光催化性能圖。
具體實施方式下面結(jié)合附圖及實例對本發(fā)明作進一步詳細說明。實施例1 :一種微波水熱法合成碳摻雜BiVO4光催化劑的方法，包括以下步驟步驟1:將O. Olmol Bi(NO3)3 · 5H20溶于25ml去離子水中，攪拌40min，得鉍鹽溶液，將O. Olmol NH4VO3溶于25ml90°C去離子水中，加熱攪拌30min，得釩鹽溶液，將鉍鹽溶液和釩鹽溶液按照B1:V=1:1的摩爾比混合，形成混合液；
步驟2 :將葡萄糖按照C6H12O6 Bi (NO3) 3 ·5Η20=0. 01:1的摩爾比加入到步驟I制備的混合液中，磁力攪拌20min,形成前驅(qū)體；步驟3 :將前驅(qū)體放入聚四氟乙烯內(nèi)襯的反應(yīng)釜中，將反應(yīng)釜放到微波水熱儀中，選擇微波控溫模式室溫至100°c，微波功率為300W，100°C保溫6min ;100°C至150°C，微波功率為 300W，150°C保溫 6min ;150°C至 200°C，微波功率為 300W，200°C保溫為 40min，200°C保溫時的壓力為2. 3MPa ;反應(yīng)完成后將生成的黃色沉淀取出，用去離子水和無水乙醇各洗滌3次，在70°C下干燥10h，得到碳摻雜BiVO4光催化劑。實施例2 一種微波水熱法合成碳摻雜BiVO4光催化劑的方法，包括以下步驟步驟1:將O. Olmol Bi (NO3) 3 · 5H20溶于25ml去離子水中，攪拌40min，得鉍鹽溶 液，將O. Olmol NH4VO3溶于25ml90°C去離子水中，加熱攪拌30min，得釩鹽溶液，將鉍鹽溶液和釩鹽溶液按照B1:V=1:1的摩爾比混合，形成混合液；步驟2 :將葡萄糖按照C6H12O6 Bi (NO3) 3 · 5H20=0. 05:1的摩爾比加入到混合液中，磁力攪拌20min,形成前驅(qū)體；步驟3 :將前驅(qū)體放入聚四氟乙烯內(nèi)襯的反應(yīng)釜中，將反應(yīng)釜放到微波水熱儀中，選擇微波控溫模式室溫至100°c，微波功率為300W，100°C保溫6min ;100°C至150°C，微波功率為 300W，150°C保溫 6min ;150°C至 200°C，微波功率為 300W，200°C保溫為 40min，200°C保溫時的壓力為2. 3MPa ;反應(yīng)完成后將生成的黃色沉淀取出，用去離子水和無水乙醇各洗滌3次，在70°C下干燥10h，得到碳摻雜BiVO4光催化劑。實施例3 一種微波水熱法合成碳摻雜BiVO4光催化劑的方法，包括以下步驟步驟1:將O. Olmol Bi(NO3)3 · 5H20溶于25ml去離子水中，攪拌40min，得鉍鹽溶液，將O. Olmol NH4VO3溶于25ml90°C去離子水中，加熱攪拌30min，得釩鹽溶液，將鉍鹽溶液和釩鹽溶液按照B1:V=1:1的摩爾比混合，形成混合液；步驟2 :將葡萄糖按照C6H12O6 Bi (NO3) 3 · 5Η20=0· 10:1的摩爾比加入到混合液中，磁力攪拌20min,形成前驅(qū)體；步驟3 :將前驅(qū)體放入聚四氟乙烯內(nèi)襯的反應(yīng)釜中，將反應(yīng)釜放到微波水熱儀中，選擇微波控溫模式室溫至100°c，微波功率為300W，100°C保溫6min ;100°C至150°C，微波功率為 300W，150°C保溫 6min ;150°C至 200°C，微波功率為 300W，200°C保溫為 40min，200°C保溫時的壓力為2. 3MPa ;反應(yīng)完成后將生成的黃色沉淀取出，用去離子水和無水乙醇各洗滌3次，在70°C下干燥10h，得到碳摻雜BiVO4光催化劑。實施例4 一種微波水熱法合成碳摻雜BiVO4光催化劑的方法，包括以下步驟步驟1:將O. Olmol Bi (NO3)3 · 5H20溶于25ml去離子水中，攪拌40min，得鉍鹽溶液，將O. Olmol NH4VO3溶于25ml90°C去離子水中，加熱攪拌30min，得釩鹽溶液，將鉍鹽溶液和釩鹽溶液按照B1:V=1:1的摩爾比混合，形成混合液；步驟2 :將葡萄糖按照C6H12O6 Bi (NO3)3 · 5Η20=0· 15 1的摩爾比加入到混合液中，磁力攪拌20min,形成前驅(qū)體；步驟3 :將前驅(qū)體放入聚四氟乙烯內(nèi)襯的反應(yīng)釜中，將反應(yīng)釜放到微波水熱儀中，選擇微波控溫模式室溫至100°c，微波功率為300W，100°C保溫6min ;100°C至150°C，微波功率為 300W，150°C保溫 6min ;150°C至 200°C，微波功率為 300W，200°C保溫為 40min，200°C保溫時的壓力為2. 3MPa ;反應(yīng)完成后將生成的黃色沉淀取出，用去離子水和無水乙醇各洗滌3次，在70°C下干燥10h，得到碳摻雜BiVO4光催化劑。實施例5 一種微波水熱法合成碳摻雜BiVO4光催化劑的方法，包括以下步驟步驟1:將O.1mol Bi (NO3) 3 ·5Η20溶于25ml去離子水中，攪拌40min，得鉍鹽溶液，將O.1mol NH4VO3溶于25ml90°C去離子水中，加熱攪拌30min，得釩鹽溶液，將鉍鹽溶液和釩鹽溶液按照B1:V=1:1的摩爾比混合，形成混合液；步驟2 :將葡萄糖按照C6H12O6 Bi (NO3) 3 · 5H20=0. 03:1的摩爾比加入到混合液中，磁力攪拌20min,形成前驅(qū)體； 步驟3 :將前驅(qū)體放入聚四氟乙烯內(nèi)襯的反應(yīng)釜中，將反應(yīng)釜放到微波水熱儀中，選擇微波控溫模式室溫至100°c，微波功率為300W，100°C保溫6min ;100°C至150°C，微波功率為 300W，150°C保溫 6min ;150°C至 200°C，微波功率為 300W，200°C保溫為 40min，200°C保溫時的壓力為2. 3MPa ;反應(yīng)完成后將生成的黃色沉淀取出，用去離子水和無水乙醇各洗滌3次，在70°C下干燥10h，得到碳摻雜BiVO4光催化劑。實施例6 一種微波水熱法合成碳摻雜BiVO4光催化劑的方法，包括以下步驟步驟1:將Imol Bi (NO3)3 · 5H20溶于25ml去離子水中，攪拌40min，得鉍鹽溶液，將lmol NH4VO3溶于25ml90°C去離子水中，加熱攪拌30min，得釩鹽溶液，將鉍鹽溶液和釩鹽溶液按照B1:V=1:1的摩爾比混合，形成混合液；步驟2 :將葡萄糖按照C6H12O6 Bi (NO3) 3 · 5H20=0. 08:1的摩爾比加入到混合液中，磁力攪拌20min,形成前驅(qū)體；步驟3 :將前驅(qū)體放入聚四氟乙烯內(nèi)襯的反應(yīng)釜中，將反應(yīng)釜放到微波水熱儀中，選擇微波控溫模式室溫至100°c，微波功率為300W，100°C保溫6min ;100°C至150°C，微波功率為 300W，150°C保溫 6min ;150°C至 200°C，微波功率為 300W，200°C保溫為 40min，200°C保溫時的壓力為2. 3MPa ;反應(yīng)完成后將生成的黃色沉淀取出，用去離子水和無水乙醇各洗滌3次，在70°C下干燥10h，得到碳摻雜BiVO4光催化劑。實施例7 一種微波水熱法合成碳摻雜BiVO4光催化劑的方法，包括以下步驟步驟1:將3mol Bi (NO3)3 · 5H20溶于25ml去離子水中，攪拌40min，得鉍鹽溶液，將3mol NH4VO3溶于25ml90°C去離子水中，加熱攪拌30min，得釩鹽溶液，將鉍鹽溶液和釩鹽溶液按照B1:V=1:1的摩爾比混合，形成混合液；步驟2 :將葡萄糖按照C6H12O6 Bi (NO3)3 · 5H20=0. 12:1的摩爾比加入到混合液中，磁力攪拌20min,形成前驅(qū)體；步驟3 :將前驅(qū)體放入聚四氟乙烯內(nèi)襯的反應(yīng)釜中，將反應(yīng)釜放到微波水熱儀中，選擇微波控溫模式室溫至100°c，微波功率為300W，100°C保溫6min ;100°C至150°C，微波功率為 300W，150°C保溫 6min ;150°C至 200°C，微波功率為 300W，200°C保溫為 40min，200°C保溫時的壓力為2. 3MPa ;反應(yīng)完成后將生成的黃色沉淀取出，用去離子水和無水乙醇各洗滌3次，在70°C下干燥10h，得到碳摻雜BiVO4光催化劑。采用XRD測定本發(fā)明制備的碳摻雜BiVO4*催化劑的物相組成，圖1是本發(fā)明制備的碳摻雜BiVO4光催化劑的XRD圖譜，其中圓點表示單斜相BiVO4峰，菱形表示四方相BiVO4峰；圖1中(a)為未摻雜的BiVO4粉體的XRD圖譜，(b)、(C)、(d)和(e)分別為按照實例1、實例2、實例3和實例4的方法制備出的碳摻雜BiVO4光催化劑的XRD圖譜。從圖1中可以看出碳摻雜量(制備過程中加入的葡萄糖量)對釩酸鉍的晶體結(jié)構(gòu)有影響，當(dāng)C6H12O6與Bi (NO3) 3 ·5Η20摩爾比為O. 05:1和O. 15:1時(實施例2和實施例4)，得到的是單斜相(JCPDSNO. 14-0688)的釩酸鉍粉體；當(dāng)C6H12O6與Bi (NO3) 3 · 5Η20摩爾比為O. 01:1和O. 10:1時(實施例I和實施例3)，得到的是四方相(JCPDS NO. 14-0133)的釩酸鉍粉體。圖2是本發(fā)明制備的碳摻雜BiVO4光催化劑的紫外光光催化性能圖，其中(a)為未摻雜的BiVO4粉體的紫外光光催化性能圖，(b)、(c)、(d)和(e)分別為實例1、實例2、實例3和實例4制備出的碳摻雜BiVO4光催化劑的紫外光光催化性能圖，(f)為不添加BiVO4時的紫外光光催化性能圖。從圖2中可以看出，實施例1、實例2、實例3和實例4制備出的 碳摻雜BiVO4光催化劑的光催化活性均明顯高于未摻雜的BiVO4粉體的光催化活性，未摻雜的BiVO4粉體的光催化活性明顯高于不添加BiVO4時的光催化活性。圖3是本發(fā)明制備的碳摻雜BiVO4光催化劑的可見光光催化性能圖，其中(a)為未摻雜的BiVO4粉體的可見光光催化性能圖，(b)、(c)、(d)和(e)分別為實例1、實例2、實例3和實例4制備出的碳摻雜BiVO4光催化劑的可見光光催化性能圖，(f)為不添加BiVO4時的可見光光催化性能圖。從圖3中可以看出當(dāng)C6H12O6與Bi (NO3)3 ·5Η20摩爾比為0.01:1和O. 10:1時(實施例1和實施例3)，制得的四方相碳摻雜BiVO4光催化劑的光催化活性明顯高于不添加BiVO4時的光催化活性，但低于未摻雜的BiVO4粉體的光催化活性，當(dāng)C6H12O6與Bi (NO3) 3 ·5Η20摩爾比為O. 05:1和O. 15:1時(實施例2和實施例4)，制得的單斜相碳摻雜BiVO4光催化劑的光催化活性明顯高于未摻雜的BiVO4粉體的光催化活性。以上所述僅為本發(fā)明的一種實施方式，不是全部或唯一的實施方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過閱讀本發(fā)明說明書而對本發(fā)明技術(shù)方案采取的任何等效的變換，均為本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種微波水熱法合成碳摻雜BiVO4光催化劑的方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1:將Bi (NO3)3 · 5H20溶于去離子水中，攪拌均勻，得鉍鹽溶液，將NH4VO3溶于去離子水中，加熱攪拌均勻，得釩鹽溶液，將鉍鹽溶液和釩鹽溶液按照B1:V=1:1的摩爾比混合， 形成混合液；步驟2 :將C6H12O6按照C6H12O6IBi (NO3)3 · 5Η20=(0· θΓθ. 15) :1的摩爾比加入到混合液中，攪拌均勻，形成前驅(qū)體；步驟3 :將前驅(qū)體放入反應(yīng)釜中，將反應(yīng)釜放到微波水熱儀中，采用微波水熱法反應(yīng)至反應(yīng)完全，反應(yīng)完成后將生成的黃色沉淀取出，洗滌、干燥，得到碳摻雜BiVO4光催化劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波水熱法合成碳摻雜BiVO4光催化劑的方法，其特征在于， 步驟3中微波水熱法的具體工藝為選擇微波控溫模式室溫至100°C，微波功率為300W， 100°C保溫 6min ;100°C至 150°C，微波功率為 300W，150°C保溫 6min ; 150°C至 200°C，微波功率為300W，200°C保溫為40min，壓力為2. 3MPa。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波水熱法合成碳摻雜BiVO4光催化劑的方法，其特征在于 所述的步驟I中Bi (NO3) 3 · 5H20和NH4VO3的用量均為O. Olmol。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波水熱法合成碳摻雜BiVO4光催化劑的方法，其特征在于 所述的步驟I中將Bi (NO3) 3 ·5Η20溶于去離子水中攪拌40min ;所述的步驟I中將NH4VO3溶于90°C的去離子水中加熱攪拌30min。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波水熱法合成碳摻雜BiVO4光催化劑的方法,其特征在于 步驟I中鉍鹽溶液中Bi的濃度為O. 4mol/L，釩鹽溶液中V的濃度為O. 4mol/L。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波水熱法合成碳摻雜BiVO4光催化劑的方法,其特征在于 所述的步驟2中的攪拌為磁力攪拌20min。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波水熱法合成碳摻雜BiVO4光催化劑的方法，其特征在于 所述的步驟3中的洗滌為用去離子水和無水乙醇各洗滌3次。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波水熱法合成碳摻雜BiVO4光催化劑的方法，其特征在于 所述的步驟3中的干燥為在70°C下干燥10h。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波水熱法合成碳摻雜BiVO4光催化劑的方法，其特征在于 步驟 2 中 C6H12O6 ;Bi (NO3) 3 · 5H20=0. 05:1 或 C6H12O6 Bi (NO3) 3 · 5H20=0. 15:1。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波水熱法合成碳摻雜BiVO4光催化劑的方法，其特征在于步驟3所得碳摻雜BiVO4光催化劑為單斜相。
全文摘要
一種微波水熱法合成碳摻雜BiVO4光催化劑的方法，將Bi(NO3)3·5H2O和NH4VO3分別溶于去離子水中，按照Bi:V=1:1的摩爾比混合，得混合液;將葡萄糖按C6H12O6:Bi(NO3)3·5H2O=(0.01~0.15):1的摩爾比加入混合液中，攪拌均勻，形成前驅(qū)體；將前驅(qū)體放入反應(yīng)釜中，設(shè)定反應(yīng)溫度為200℃，保溫40min，將生成的沉淀取出，洗滌、干燥，得到碳摻雜BiVO4光催化劑。本發(fā)明采用微波水熱法一步合成碳摻雜BiVO4光催化劑，無需煅燒，操作簡單，合成的碳摻雜BiVO4光催化劑具有良好的光催化活性，達到了對BiVO4進行改性的目的。
文檔編號B01J37/34GK103007921SQ20121056690
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月24日
發(fā)明者談國強, 張麗麗, 任慧君 申請人:陜西科技大學(xué)