[發明專利]一種鈷摻雜改性Beta-氧化鉍光催化劑的制備方法

無效

• 申請號: 201010569256.6
• 申請日: 2010-12-02
• 公開（公告）號: CN102000584A
• 公開（公告）日: 2011-04-06
• 發明（設計）人: 牛軍峰;包月平;殷立峰;沈珍瑤
• 申請（專利權）人: 北京師范大學
• 主分類號: B01J23/843
• 分類號: B01J23/843;B01J37/00;C02F1/30;C02F101/30
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技術領域

本發明涉及環境科學與工程領域，內容為一種鈷摻雜改性Beta-氧化鉍光催化劑的降解活性考察及其合成方法，具體為一種依靠可見光催化技術對水中有機污染物進行降解的鈷摻雜改性Beta-氧化鉍光催化劑的制備方法。

背景技術

近年來，基于半導體光催化降解有機污染物為許多存在及潛在的環境問題提供了可行的解決方案而引起了研究者極大的關注。半導體中存在價帶和導帶，在光照等外在因素激發下，價帶的電子吸收能量躍遷到導帶，從而使導帶上產生電子(e^-)，同時價帶失去電子產生空穴(h⁺)，所產生的空穴和電子分別具有氧化性和還原性，進而引發氧化還原反應。半導體光催化技術的主要應用包括對于環境保護領域中的污染物的處理以及光裂解水制氫等方面。目前應用較多的光催化劑是具有高光敏性、低毒等優點的二氧化鈦和氧化鋅，但是這些催化劑均存在光吸收能力不強的問題，一般只能吸收紫外線或近地紫外線輻射僅約4％的太陽光，催化性能有待進一步提高；同時，應用較多的催化劑如納米二氧化鈦顆粒度較小，無法實現從水體中的有效分離，回收率低，不能達到對水體的有效凈化。因此，開發光吸收能力強的大顆粒度可見光光催化劑是目前環境光催化研究領域的熱點。

以氧化鉍作為基體的化合物，由于具有多種晶態，性能豐富，成為人們關注的焦點。氧化鉍(三氧化二鉍，Bi₂O₃)作為最重要的鉍化合物之一，其價帶由O2p和Bi6s軌道雜化而成。其吸收光的能力較強，具有很好的光催化特性，同時氧化能力很強，能有效地氧化有機污染物，因此具有很強的環境應用能力。目前氧化鉍作為一種先進的功能粉體材料在電子陶瓷粉體材料、電解質材料、光電材料、高溫超導材料、催化劑材料等方面的應用均表現出了較好的性能和應用潛力。通常認為Bi₂O₃具有α，β，γ和δ四種晶型。其中α，δ-Bi₂O₃是熱力學穩定晶體形態。α-Bi₂O₃以單斜結構在730℃以下穩定存在；立方螢石結構的δ-Bi₂O₃在730～825℃范圍內穩定存在，在650℃下會出現具有四方結構(β)和體心立方結構(γ)的亞穩相化合物。其中，半導體Beta-Bi₂O₃(β-Bi₂O₃)具有較窄的帶隙寬度，有利于在可見光激發下產生光生電子-空穴對，有很好的應用前景。

目前研究的熱點集中于如何對Bi₂O₃進行改性，擴展其對可見光的響應范圍，以更好地發揮其光催化的性能。在光催化反應中，Bi₂O₃接受光的激發可以產生電子、空穴、羥基自由基和氧負離子，而這些物質可以與污染物接觸發生氧化還原反應，從而實現對污染物的降解。目前，提高其光催化性能的方法是減少其中電子和空穴的復合，具體包括制作復合型催化劑、摻雜金屬離子、進行表面光敏化等。金屬離子的摻雜可以提高半導體的催化作用，同時也可以使半導體的吸收波長范圍擴展到可見光區域。目前報道較多的包括摻雜鉬的鉬氧化鉍催化劑以及摻雜氧化釔的釔鉍催化劑等。摻雜金屬的光催化劑的制備方法主要有浸漬法、沉淀法、液相還原法、溶劑化金屬原子浸漬法、溶膠-凝膠法等。文獻“負載鈷催化劑的合成及其催化環己烷和甲苯選擇氧化的研究”中采用溶膠-凝膠法制備催化劑，并考察了鈷含量、焙燒溫度等因素對于催化劑活性的影響。但目前關于鈷摻雜改性Beta-氧化鉍光催化劑粉體人工合成的研究報道很少，同時為了使催化劑有效地與水體分離，有必要對其結構和形態進行進一步改善，提高光催化劑的回收率。

發明內容

本發明的目的在于提供一種鈷摻雜改性Beta-氧化鉍光催化劑的制備方法，該催化劑具有較高的光催化活性、顆粒尺寸大、多孔結構等優點，可以有效地降解水體中的有機污染物。采用溶劑熱合成法制備該催化劑，合成時硝酸鉍與硝酸鈷的摩爾比控制在10∶1～16.7∶1；利用氙燈模擬可見光，作為反應的光源，制備的鈷摻雜改性Beta-氧化鉍為光催化劑，能夠實現對水體中氯酚類物質的高效降解，以達到去除水中氯酚類污染物的目的。該方法中催化劑的制備過程簡單，所得的催化劑顆粒尺寸大，便于回收和重復利用；同時由于其制作成本低廉、周期短、效率高，具有很好的工業化應用前景。本發明的技術方案如下：