光催化劑釩酸鉍納米纖維及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光催化劑技術(shù)，更具體地說(shuō)，涉及納米纖維的新型光催化劑釩酸鉍及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]自從太陽(yáng)能清潔能源的使用得到廣泛關(guān)注以來(lái)，可見光催化劑的發(fā)展就得到越來(lái)越多的重視。因此，尋找一種具有更高光催化活性且能夠在日常生活中具有較大使用價(jià)值的光催化劑成為當(dāng)今世界上光催化劑發(fā)展的一個(gè)重要方向。目前，二氧化鈦光催化劑被認(rèn)為是一種具有良好光催化性能的光催化劑，其在光解有機(jī)污染物和太陽(yáng)能電池領(lǐng)域已經(jīng)取得良好的應(yīng)用。然而由于其僅能在紫外光區(qū)域下才具有光催化活性，故增加了其應(yīng)用的局限性。釩酸鉍是一種新型的可見光催化劑，其不僅在紫外光區(qū)域中擁有良好地光催化活性，而且在可見光下能夠發(fā)生光催化反應(yīng)。但其也擁有諸多缺點(diǎn)，因?yàn)殁C酸鉍的導(dǎo)帶較低，其不能滿足可見光水解反應(yīng)中H+的還原電位，因?yàn)殁C酸鉍在光催化反應(yīng)中電子與空穴結(jié)合速率快，電子傳輸速度較慢，從而影響了釩酸鉍的光催化活性。如果將釩酸鉍光催化劑做成納米纖維結(jié)構(gòu)，增加釩酸鉍光催化劑的比表面積和減小釩酸鉍顆粒尺寸能有效解決上述問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，克服已有釩酸鉍光催化劑的粉體或者纖維狀形貌的不足，提供一種釩酸鉍納米纖維催化劑及其制備方法，該催化劑具有優(yōu)異的光催化性能，適合應(yīng)用于有機(jī)物的光解，且其制備方法過(guò)程簡(jiǎn)單。
[0004]本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):
[0005]光催化劑釩酸鉍納米纖維及其制備方法，按照下述步驟進(jìn)行:
[0006]第一步，利用溶膠法制備釩酸鉍溶膠，具體來(lái)說(shuō)需要:
[0007]首先按照釩酸鉍(化學(xué)式為BiVO4)化學(xué)計(jì)量比的要求，取硝酸鉍(或者Bi(NO3)3.6H20)、偏釩酸銨(NH4VO3),溶解在稀硝酸中，形成橙黃色的均一溶液，所述稀硝酸為5ml體積百分比為60%的濃硝酸溶解在25ml的去離子水中混合均勻形成。
[0008]然后向溶液中加入助紡劑聚乙烯吡咯烷酮(PVP)增加溶液的黏度，直至所得溶液達(dá)到具有可紡性溶膠為止，例如將選用的稀硝酸作為溶劑，向體系中添加PVP，所述溶劑體積(ml)和PVP質(zhì)量(g)為等比例，即30ml稀硝酸添加30gPVP ;充分?jǐn)嚢杈鶆虻命S色溶膠體系，室溫20— 25°C攪拌反應(yīng)時(shí)間為2天。
[0009]第二步，將所得釩酸鉍溶膠加入到已固定在針管泵上的針管(針管直徑為3cm)中，將針管泵的流速調(diào)整為I?5ml/h，在針管和收集板之間加一高壓電源(電壓值為15?18kV)，針尖與收集板之間的距離為13?17cm，開始進(jìn)行電紡操作。將電紡所得的凝膠纖維收集在坩堝中，按照2°C /min的速率進(jìn)行焙燒，升溫至400?550°C恒溫2?3h，隨爐溫冷卻至室溫，可得到釩酸鉍的納米纖維。
[0010]對(duì)本發(fā)明制備的釩酸鉍光催化劑，具有骨架結(jié)構(gòu)且為短程納米纖維，擁有很大的比表面積，采用美國(guó)Quanta Chrome N0VA-2000型比表面積儀進(jìn)行比表面積的測(cè)定為5 — 8m2/g。根據(jù)附圖顯示的掃描電子顯微鏡(將制備好的樣品利用荷蘭Phlilps公司的XL30ESEM冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察不同情況下的樣品的形貌)照片可知:
[0011]從附圖3中可以看到，經(jīng)過(guò)電紡過(guò)程后，釩酸鉍凝膠纖維直徑為I?2μπι表面光滑且具有很長(zhǎng)連續(xù)性。
[0012]從附圖4中可以看到，經(jīng)過(guò)400°C高溫焙燒后，釩酸鉍凝膠纖維的形貌發(fā)生了很大變化，其原本光滑連續(xù)的纖維變成了具有骨架結(jié)構(gòu)的短程釩酸鉍纖維。形成這種形貌的原因是由于高溫下，有機(jī)物的分解以及釩酸鉍晶體的長(zhǎng)大，使得原本光滑的釩酸鉍凝膠纖維中大量有機(jī)物的分解和生成釩酸鉍的顆粒發(fā)生締合從而導(dǎo)致了骨架結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。
[0013]從附圖5可以看到，經(jīng)過(guò)450°C高溫焙燒后，釩酸鉍納米纖維的結(jié)構(gòu)。
[0014]從附圖6可以看到，經(jīng)過(guò)500°C高溫焙燒后，釩酸鉍納米纖維的結(jié)構(gòu)。
[0015]從附圖7可以看到，經(jīng)過(guò)550°C高溫焙燒后，釩酸鉍納米纖維的結(jié)構(gòu)。
[0016]通過(guò)以上不同溫度下釩酸鉍焙燒納米纖維圖片可以得出，隨著溫度的升高，釩酸鉍納米纖維的骨架結(jié)構(gòu)越來(lái)越明顯，這會(huì)使所得釩酸鉍納米纖維的比表面積得到增大。
[0017]本發(fā)明的釩酸鉍光催化劑進(jìn)行拉曼和XRD測(cè)試其結(jié)構(gòu)，結(jié)果如附圖1和2所示:
[0018]拉曼光譜(Laman)采用美國(guó)熱電公司的拉曼光譜儀測(cè)定(Thermal ElectronCorporat1n, DXR Microscope),掃描范圍50?lOOOcnT1。從拉曼譜圖(附圖1)中可知，高溫?zé)峤夂蟮玫降拟C酸鉍光催化劑形成具有最佳光催化性能的單斜白鎢礦結(jié)構(gòu)。其中出現(xiàn)在21cm^1,328cm_1,370cm_1,71cm^1和824CHT1處的吸收峰是釩酸鉍化學(xué)鍵的特征振動(dòng)峰。
[0019]XRD采用日本理學(xué)的Rigaku D/max 2500v/pc形衍射儀，以Cu/K-alphal射線為光源進(jìn)行測(cè)定。靶為銅靶，2 Θ測(cè)角范圍為10?80°，掃描速度為8° /min，測(cè)試樣品均為粉末。對(duì)產(chǎn)物研成粉末后進(jìn)行XRD表征，從附圖2中可知，熱解后得到的釩酸鉍光催化劑形成了純度相當(dāng)高的單斜白鎢礦釩酸鉍結(jié)構(gòu)。此外譜圖中衍射峰很尖銳且背底較少，表明所形成的晶格結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。通過(guò)PDF卡片對(duì)比，出現(xiàn)在18.5°、35°、46°、的分裂峰為單斜白鎢礦的釩酸鉍特征峰。
[0020]以亞甲基藍(lán)作為光解有機(jī)物，300W氙光燈作為光源，使用420nm的濾波片將光源中的紫外光進(jìn)行過(guò)濾形成可見光源進(jìn)行光降解實(shí)驗(yàn)。在250ml燒杯中配制20mg/l的亞甲基藍(lán)溶液100ml，再向溶液中加入0.0lOg的光催化劑開始光解實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，先將燒杯移至暗箱中進(jìn)行30分鐘暗反應(yīng)，使溶液中的光催化劑與亞甲基藍(lán)得到吸附脫附平衡，這段時(shí)間每隔15分鐘取樣一次。再將燒杯移至光源下，劇烈攪拌每隔20分鐘取樣一次，直到100分鐘。所取樣品放置在紫外分光光度計(jì)中，將所測(cè)光度波長(zhǎng)調(diào)整為630nm(亞甲基藍(lán)的吸收波長(zhǎng))測(cè)其吸收值。初始濃度為1，其余樣品為其光度與初始光度比值，即濃度比。由Y軸代表溶液中亞甲基藍(lán)的濃度比(溶液中亞甲基藍(lán)的濃度與初始濃度的比值)，X軸代表時(shí)間作圖，可得光催化曲線。紫外分光光度計(jì)采用島津公司的shimadzu-UV-Vis-3600紫外可見近紅外分光光度計(jì)。
[0021]從光催化曲線可知在所有制備的樣品中焙燒溫度為450°C，500°C，550°C釩酸鉍的樣品催化活性最高，究其原因是由于在高溫情況下，凝膠纖維中的有機(jī)物分解較為完全，且有機(jī)物模板的去除導(dǎo)致所合成的釩酸鉍納米纖維中存在大量的孔洞，增加了其比表面積從而提高了釩酸鉍的光催化效率。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于制備成本低，制備方法過(guò)程簡(jiǎn)單；所制的釩酸鉍光催化劑比表面積大，孔結(jié)構(gòu)豐富，且具有較高的光催化活性。
【附圖說(shuō)明】