[發(fā)明專利]一種鐵酸鉍光催化劑的制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010237605.4
• 申請日: 2010-07-27
• 公開（公告）號: CN101890354A
• 公開（公告）日: 2010-11-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 牛軍峰;李陽;王文龍;包月平
• 申請（專利權(quán)）人: 北京師范大學(xué)
• 主分類號: B01J23/843
• 分類號: B01J23/843;B01J35/10;C02F1/30;C02F101/30
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)領(lǐng)域，涉及一種多鐵性材料，尤其是涉及一種鐵磁性鐵酸鉍光催化劑及其合成方法，具體為一種利用光催化技術(shù)降解水中有機(jī)污染物的鐵酸鉍光催化劑的制備方法。

背景技術(shù)

鐵酸鉍(BiFeO₃)是一種典型的單相磁電材料和鐵電材料，在常溫以上呈現(xiàn)多鐵性能，是少數(shù)同時(shí)具有鐵電性和反鐵磁性的材料之一；具有三方扭曲的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，其中氧八面體繞體對角線軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，形成一種偏離理想鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的斜六方體結(jié)構(gòu)；室溫下BiFeO₃同時(shí)具有兩種結(jié)構(gòu)有序，即鐵電有序(居里溫度T_c＝1100K)和G型反鐵磁有序(尼爾溫度T_n＝650K)；可以廣泛應(yīng)用于收音機(jī)、電視機(jī)、微波、通訊衛(wèi)星、塊狀器件、磁泡器、新型存儲器件及自旋電子學(xué)等領(lǐng)域，而且它還能與其它一些鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的化合物形成具有優(yōu)良鐵電性能的固溶體，尤其是BiFeO₃材料中不含鉛，這符合人們在生產(chǎn)與使用中對環(huán)境和人體的保護(hù)要求，因此單相BiFeO₃的制備受到越來越多研究人員的關(guān)注，具有十分重要的應(yīng)用前景。

目前合成BiFeO₃粉體的方法主要有高溫固相燒結(jié)法、水熱合成法、溶膠凝膠法和高能球磨法等。高溫固相燒結(jié)法是用鉍和鐵的氧化粉體通過混合，球磨，再在高溫下燒結(jié)而制成的。該方法雖然步驟簡單，但是兩種氧化物很難達(dá)到完全均一，同時(shí)由于氧化鉍在高溫下具有揮發(fā)特性，在熱處理過程中會(huì)導(dǎo)致偏離理想化學(xué)計(jì)量的不合格產(chǎn)品的出現(xiàn)。采用水熱合成法制備的粉體具有純度高、粒徑分布窄、晶體發(fā)育完整、工藝相對簡單以及燒結(jié)活性高等優(yōu)點(diǎn)，而且水熱法制備粉體是在液相中一次完成，不需要后期的晶化熱處理，從而避免了后期熱處理而導(dǎo)致的粉體硬團(tuán)聚和晶體自行長大等不利現(xiàn)象，然而BiFeO₃只能在很窄的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定存在，所以水熱法合成單相BiFeO₃的條件范圍很窄，并且水熱合成法制備粉體存在反應(yīng)周期長、反應(yīng)過程不容易控制等缺點(diǎn)。溶膠凝膠法具有制備材料均勻、純度高、組成成分容易控制、容易制備出各種形狀等優(yōu)點(diǎn)而被人們廣泛采用，是制備無機(jī)材料包括粉體、纖維、陶瓷和薄膜的一種重要方法，然而該方法的合成溫度較高，往往伴隨著其它相的產(chǎn)生，同時(shí)前驅(qū)體材料中雜質(zhì)的存在也會(huì)導(dǎo)致雜質(zhì)相的產(chǎn)生，因此制備的BiFeO₃常常會(huì)有Bi₃₆Fe₂O₇和Bi₂Fe₄O₉等寄生相，在燒結(jié)之后需要借助硝酸去除Bi₂Fe₄O₉和Bi₂₅FeO₄₀等雜相，使粉體表面粗糙，實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性也不好，同時(shí)上述方法合成溫度較高，往往接近甚至高于居里溫度，最終影響材料的鐵電性能。高能球磨法是以氧化鉍和氧化鐵粉末為原料，經(jīng)高能球磨直接制備鐵酸鉍納米粉體，該方法利用了兩種粉體在反復(fù)碰撞過程中發(fā)生的機(jī)械合金化反應(yīng)來合成目標(biāo)產(chǎn)物，省去了高溫?zé)崽幚磉^程。但機(jī)械化合金法所需時(shí)間長，不適合批量生產(chǎn)。

鐵酸鉍晶體的研究至今已有二十多年之久，作為一種重要的光磁材料，近年來鐵酸鉍晶體引起了材料科學(xué)和光催化領(lǐng)域科學(xué)家的極大重視。研究工作者將其引入到光催化領(lǐng)域中來：文獻(xiàn)“碳納米管改性鐵酸鉍光催化還原CO₂合成甲醇李鑫，何世育，李忠，硅酸鹽學(xué)報(bào)2009，Vol.37?No.11，1869-1872”采用溶膠凝膠法制備了鐵酸鉍，研究結(jié)果表明鐵酸鉍具有較好的可見光響應(yīng)性，并評價(jià)了其光催化還原CO₂合成甲醇的性能，認(rèn)為鐵酸鉍具有較大的開發(fā)潛力。文獻(xiàn)“鐵酸鉍粉體：硝酸鉀輔助水熱合成的形貌調(diào)控及可見光催化性能李順，林元華，張波萍，南策文，無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)2010，Vol.26?No.3，495-499”采用水熱合成法合成了不同尺寸的鐵酸鉍粉體，并對其光催化降解剛果紅的性能進(jìn)行了評價(jià)。公開號為CN?101311369的發(fā)明專利采用改進(jìn)的水熱合成法，在水熱反應(yīng)完成后采用快速冷卻，抑制第二相的產(chǎn)生和顆粒長大，獲得具有純相鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和鐵磁性的鐵酸鉍粉體，然而其并未對該粉體的光催化活性進(jìn)行深入的研究。