化學腐蝕法原位生長制備高效的硫化鉍-鐵酸鉍復合可見光催化劑及其應用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于催化劑領(lǐng)域，具體涉及一種化學腐蝕法原位生長制備高效的硫化鉍-鐵酸鉍復合可見光催化劑及其應用。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著全球化工業(yè)的迅猛發(fā)展所帶來的能源危機和環(huán)境問題已日益突出，尤其環(huán)境污染中的有機物污染已嚴重影響到人們的日常生活，因此如何有效的消除對人類有害的有機污染物，已成為科學界關(guān)注的焦點。采用半導體基光催化劑是一個非常有前景和環(huán)境友好的方式去解決環(huán)境中有機污染物。發(fā)展一種高效的半導體光催化劑對于將這技術(shù)應用于實際生活中尤其重要。遺憾的是，到目前為止，研究最多的光催化劑僅僅停留在紫外可見光光區(qū)(如T12),這也就很大的阻礙了其在現(xiàn)實中的運用。因此，在可見光下的高效光催化劑的發(fā)展已經(jīng)成為光催化領(lǐng)域的必然趨勢。
[0003]鐵酸鉍晶體作為一種光磁材料，近年來其引起了光催化領(lǐng)域科研工作者的極大重視。由于其在室溫下呈現(xiàn)低的帶隙能和良好的化學穩(wěn)定性，并具有良好的載流子輸運特性，為其在可見光催化技術(shù)方面的運用提供了可能。但其光量子效率仍待加強，以及鐵酸鉍存在光腐蝕性，雖有研究將其進行改性(如離子摻雜，與其它復合材料復合)，同時也提高了材料的循環(huán)性能。但其可見光催化活性仍有待提高。
[0004]近年來，由于Bi2S3半導體具有優(yōu)異的光催化特性，研究者在Bi2S3的合成做了大量的研究工作，期望在現(xiàn)有的性能上進一步提高其光催化活性。Bi2S3作為一種典型的層狀結(jié)構(gòu)，在條件合適的情況下容易生長成高長徑比的結(jié)構(gòu)，有研究表明，將Bi2S3與半導體材料復合能夠提高可見光催化活性。表明Bi2S3能夠改善原材料的光生電子空穴對間的復合作用，從而光生電子空穴對更好的分離。此外，硫化鉍較為大的比表面積有利于吸附，同時也可以提尚材料的可見光催化性能。
[0005]因此，結(jié)合鐵酸鉍和硫化鉍材料的各自優(yōu)勢，利用溶膠凝膠法和化學腐蝕法原位生長制備出硫化鉍-鐵酸鉍復合材料，將該復合材料在可見光下光降解有機污染物孔雀石綠，具有良好的光催化效果，且可以多次循環(huán)使用，對可見光技術(shù)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實指導意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于解決當前光催化領(lǐng)域中光催化劑的光生載流子復合率高，量子效率低而開發(fā)的一種化學腐蝕法原位生長制備高效的硫化鉍-鐵酸鉍復合可見光催化劑，并將該催化劑應用在可見光催化處理有機污染物方面。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為；化學腐蝕法原位生長制備高效的硫化鉍-鐵酸鉍復合可見光催化劑，其特征在于包括如下步驟:
(I)以鉍源和鐵源為原料，將二者分別溶解有機溶劑中，直至完全溶解，混合攪拌均勻，獲得其溶膠溶液，繼續(xù)攪拌一定的時間，80-100°C下干燥24-48小時，得到凝膠，
(2)研磨后在馬弗爐中500-550°C煅燒3-5小時，冷卻至室溫，研磨后得樣品，待用；
(3)將3份不同量的L-半胱氨酸分別溶解在去離子水中，溶解均勻后，用酸溶液調(diào)pH至2-3，將鐵酸鉍樣品以不同量加入到含L-半胱氨酸的溶液中，攪拌一定的時間，轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯反應罐中，置入不銹鋼反應釜中140-160°C下反應12-24h ;
(4)反應后溶液有黑色沉淀，將黑色沉淀離心分離，洗滌，干燥得到不同比例的硫化鉍-鐵酸鉍復合光催化劑。
[0008]所述鉍源為硝酸鉍及其水合物，所述鐵源為硝酸鐵及其水合物。
[0009]所述的有機溶劑為乙二醇甲醚溶劑。
[0010]所述的攪拌一定的時間為0.5-1小時。
[0011]所述的酸溶液為pH=2-3稀硫酸溶液，硫源為L-半胱氨酸。
[0012]所述的不同比例為硫化祕和鐵酸祕的比例為1:2-1:4。
[0013]本發(fā)明所述硫化鉍-鐵酸鉍復合可見光催化劑的應用在于:將上述所得的催化劑用于水環(huán)境中的孔雀石綠的可見光降解，在I小時內(nèi)去除水中孔雀石綠的98%以上(濃度為20mg/L)，并且性能穩(wěn)定，光催化活性良好，反應后的催化劑可以多次循環(huán)利用，在污水治理方面具有重要的意義和良好的發(fā)展前景。
[0014]本發(fā)明提供化學腐蝕法原位生長制備高效的硫化鉍-鐵酸鉍復合可見光催化劑及其應用所具有的優(yōu)點如下:
(I)具有納米花狀結(jié)構(gòu)，比表面積大，能夠充分與有機污染物接觸；(2)以氙燈為光源，無需外加氧化劑和助劑，可以高效的降解水中有機污染物；(3)催化劑的制備具有很好的可重復性，催化活性高，原料豐富易得，方便工業(yè)化推廣。
【附圖說明】
[0015]圖1為硫化鉍-鐵酸鉍復合光催化劑不同比例的XRD圖，從圖中可以看出隨著硫化鉍的比例增大，硫化鉍的峰越來越強。
[0016]圖2為硫化鉍-鐵酸鉍復合光催化劑放大200000倍掃描電子顯微鏡圖，從圖中可以看出明顯納米花狀結(jié)構(gòu)。
[0017]圖3為硫化鉍-鐵酸鉍粉體光催化降解水體中孔雀石綠過程中的紫外-可見光吸收光譜隨時間的變化圖，從圖中可以看出孔雀石綠的最大吸收波長為615nm左右，并隨著時間的進行其吸光度越來越來弱，沒有其它波長的吸收峰產(chǎn)生，說明材料對孔雀石綠能夠降解完全。
[0018]
【具體實施方式】
[0019]實現(xiàn)本發(fā)明關(guān)鍵技術(shù)是制備出硫化鉍-鐵酸鉍光催化，所述催化劑中硫化鉍與鐵酸祕的比例為1:2-1 ;4。
[0020]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:一種化學腐蝕法原位生長制備高效的硫化鉍-鐵酸鉍復合可見光催化劑，該方法采用溶膠凝膠法合成鐵酸鉍，同時利用水熱法將硫化鉍原味生長在鐵酸鉍的表面上，其特征在于主要步驟為: (1)使鉍鹽和鐵鹽分別在有機溶劑中溶解，形成含鉍鹽的有機溶液和含鐵鹽的有機溶液；
(2)將(I)中相同比例的含鉍鹽的有機溶液和含鐵鹽的有機溶液充分混合，形成含鉍鹽和含鐵的混合有機溶液；
(3)將(2)中的混合有機溶液進行蒸干，得到鐵酸鉍干凝膠；
(4)將(3)中的鐵酸鉍干凝膠研磨成粉末并進行煅燒處理，得樣品；
(5)稱取三份不同量的L-半胱氨酸分別溶解在去離子水中，用酸溶液調(diào)節(jié)pH值；
(6)稱取(4)中不同量的樣品分散在(5)中，攪拌一定的時間；
(7)將(6)中的溶液轉(zhuǎn)移至反應釜中進行水熱反應；
(8)將(7)所得的產(chǎn)物離心分離后洗滌，干燥得到不同比例的硫化鉍-鐵酸鉍復合光催化劑。
[0021 ] 步驟(I)中所述的鉍鹽為硝酸鉍及其水合物，所述的鐵鹽為硝酸鐵及其水合物，所述的有機溶液為乙二醇甲醚。
[0022]步驟(2)中所述的相同比例為鉍鹽和鐵鹽的摩爾比為1:1。
[0023]步驟(3)中所述的將有機溶液進行蒸干的溫度為80-100°C，蒸干時間為24_48小時。
[0024]步驟(4)中所述的將粉末進行煅燒處理時的溫度為500-550°C，時間為3_5小時。
[0025]步驟(5)中所述的酸溶液為硫酸溶液，所述的酸溶液的pH值為2-3。
[0026]步驟(6)中所述的攪拌一定的時間為0.5-1小時。
【主權(quán)項】
1.化學腐蝕法原位生長制備高效的硫化鉍-鐵酸鉍復合可見光催化劑，其特征在于包括如下步驟: (1)以鉍源和鐵源為原料，將二者分別溶解有機溶劑中，直至完全溶解，混合攪拌均勻，獲得其溶膠溶液，繼續(xù)攪拌一定的時間，80-100°C下干燥24-48小時，得到凝膠， (2)研磨后在馬弗爐中500-550°C煅燒3-5小時，冷卻至室溫，研磨后得樣品，待用； (3)將3份不同量的L-半胱氨酸分別溶解在去離子水中，溶解均勻后，用酸溶液調(diào)pH至2-3，將鐵酸鉍樣品以不同量加入到含L-半胱氨酸的溶液中，攪拌一定的時間，轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯反應罐中，置入不銹鋼反應釜中140-160°C下反應12-24h ; (4)反應后溶液有黑色沉淀，將黑色沉淀離心分離，洗滌，干燥得到不同比例的硫化鉍-鐵酸鉍復合光催化劑。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學腐蝕法原位生長制備高效的硫化鉍-鐵酸鉍復合可見光催化劑，其特征在于；所述鉍源為硝酸鉍及其水合物，所述鐵源為硝酸鐵及其水合物。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學腐蝕法原位生長制備高效的硫化鉍-鐵酸鉍復合可見光催化劑，其特征在于；所述的有機溶劑為乙二醇甲醚溶劑。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種采用化學腐蝕法原位生長制備可見光響應高效的硫化鉍-鐵酸鉍復合光催化劑及其應用。該方法同步采用溶膠凝膠法與化學腐蝕法。先采用溶膠凝膠法合成鐵酸鉍。然后通過以L-半胱氨酸為硫源，在鐵酸鉍表面上通過化學腐蝕法原位生長以合成不同比例的硫化鉍-鐵酸鉍復合光催化劑。采用氙燈為光源,以孔雀石綠作為有機污染物降解模型，將復合材料與孔雀石綠溶液充分混合以光催化降解模擬水環(huán)境中的孔雀石綠有機污染物。本發(fā)明提供了一種高效去除水環(huán)境中孔雀石綠染料的方法，該方法在1小時內(nèi)去除水中孔雀石綠的98%以上（濃度為20mg/L），并且性能穩(wěn)定，納米花狀結(jié)構(gòu)。首次成功合成的硫化鉍-鐵酸鉍光催化劑，在污水治理方面具有重要的意義和良好的發(fā)展前景。
【IPC分類】C02F101/38, C02F1/30, B01J27/04
【公開號】CN105056973
【申請?zhí)枴緾N201510417625
【發(fā)明人】涂新滿, 周仁韜, 羅勝聯(lián), 代威力, 羅旭彪
【申請人】南昌航空大學
【公開日】2015年11月18日
【申請日】2015年7月16日