[發(fā)明專利]一種可見(jiàn)光響應(yīng)型鐵酸鉍?氧化鉍復(fù)合材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510086019.7
• 申請(qǐng)日: 2015-02-24
• 公開（公告）號(hào): CN104646001B
• 公開（公告）日: 2017-08-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 紀(jì)紅兵;孔潔靜;芮澤寶
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中山大學(xué)
• 主分類號(hào): B01J23/843
• 分類號(hào): B01J23/843;B01D53/86;B01D53/72
• 代理公司: 廣州市深研專利事務(wù)所44229
• 代理人: 姜若天

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于光催化反應(yīng)的鐵酸鉍-氧化鉍復(fù)合材料及其制備方法，屬于光催化材料和環(huán)境保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

在消除環(huán)境污染物方面，光催化降解反應(yīng)能耗低，凈化效率高，是最有應(yīng)用前景的技術(shù)之一。但目前光催化技術(shù)也還存在一些亟待解決的技術(shù)問(wèn)題：（1）傳統(tǒng)光催化劑如TiO₂只能對(duì)紫外光響應(yīng)，光利用率低。（2）由于光生電子-空穴對(duì)的快速?gòu)?fù)合導(dǎo)致光催化劑的量子產(chǎn)量低。因此，可見(jiàn)光響應(yīng)的高效催化劑的研發(fā)和利用一直是光催化領(lǐng)域內(nèi)的重點(diǎn)研究對(duì)象。

鐵酸鉍(BiFeO₃)具有典型的鈣鈦礦結(jié)構(gòu),不僅具有優(yōu)異的多鐵性,而且表現(xiàn)出一定的可見(jiàn)光光催化性能。但是目前BiFeO₃在這些領(lǐng)域的應(yīng)用受到不同程度的限制,其中主要原因之一是BiFeO₃中存在的氧空位等缺陷可以作為光生電子空穴對(duì)的復(fù)合中心,這就導(dǎo)致光生電子和空穴較高的復(fù)合幾率,從而降低了其光催化活性。因此有必要對(duì)BiFeO₃光催化劑加以改性,從而提高其光催化活性。目前,貴金屬沉積以及石墨稀復(fù)合,都被證明是提高光生載流子分離效率的有效方法。Li等人(Chem.Commun., 2013, 49, 5856-5858.)分別通過(guò)水熱法和激光燒蝕法制備鐵酸鉍和Au納米顆粒，然后將兩者混合，有效分離了光生電子-空穴對(duì)，大大提高了光解水中析氧量。CN102941103公開了一種鐵酸鉍-石墨烯復(fù)合材料的制備方法，該方法是先采用共沉淀法制得鐵酸鉍前驅(qū)體納米顆粒，進(jìn)而將其與石墨烯混合進(jìn)行水熱反應(yīng)制得鐵酸鉍-石墨烯復(fù)合材料，有效降低了載流子的復(fù)合率，表現(xiàn)出比納米顆粒更優(yōu)異的光催化性能。但這種通過(guò)多步法將兩類相關(guān)性不大的材料復(fù)合而成，一是制備流程復(fù)雜，二是復(fù)合材料各組分之間很難充分交織形成利于電子和空穴分離的相界面。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述光催化領(lǐng)域，特別是BiFeO₃基光催化劑所面臨的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種帶隙窄、利于電子和空穴分離和性能穩(wěn)定的鐵酸鉍-氧化鉍復(fù)合材料及其制備方法，并用于光催化降解有機(jī)廢氣。

一種鐵酸鉍-氧化鉍復(fù)合材料，所述復(fù)合材料中的鐵酸鉍（BiFeO₃）為鈣鈦礦結(jié)構(gòu),以鐵酸鉍的重量為100%計(jì)，氧化鉍（Bi₂O₃）的重量分?jǐn)?shù)為4%~16%。

上述鐵酸鉍-氧化鉍復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1) 以硝酸鉍或其水合物和硝酸鐵或其水合物按1.0:1~1.2:1的摩爾比溶解于稀硝酸溶液中，攪拌均勻制得前軀體溶液；

(2) 逐滴加入堿性沉淀劑，得到紅棕色沉淀液；

(3) 將所述前驅(qū)體沉淀液進(jìn)行水熱反應(yīng)、洗滌、干燥、研磨得到所需BiFeO₃-Bi₂O₃復(fù)合材料。

其中，步驟(1)中所述稀硝酸水溶液中，稀硝酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%~20%。

步驟(2)中所述堿性沉淀劑為氫氧化鉀，濃度為5.5~9.0 mol/L，滴加速度為0.1~1.0 ml/min，氫氧化鉀滴加量為：氫氧化鉀和硝酸的摩爾比為3: 1~20: 1。所述堿性沉淀劑也可由同時(shí)加入氨水和礦化劑硝酸鉀或者氯化鉀等在溶液中原位生成。

步驟(3)中所述水熱反應(yīng)溫度為180~220℃，水熱反應(yīng)時(shí)間為4~12 h。所述洗滌過(guò)程是指用水或者乙醇洗滌水熱反應(yīng)產(chǎn)物3~5次, 干燥過(guò)程，是指在80~120℃的空氣氛圍內(nèi)恒溫干燥6~24 h。

用水熱法制備鈣鈦礦結(jié)構(gòu)BiFeO₃已有公開報(bào)道，如Di等人（J Mater Sci-Mater El, 2014, 25, 2463-2469.）報(bào)道了用水熱反應(yīng)制備純相鐵酸鉍的方法。上述水熱反應(yīng)溫度和時(shí)間等條件也是本領(lǐng)域人員常用實(shí)驗(yàn)條件。但本發(fā)明通過(guò)精確調(diào)控前驅(qū)體溶液中稀硝酸溶液的濃度，氫氧化鉀堿性沉淀劑的濃度，滴加速度和加入量等工藝條件，首次通過(guò)一步水熱法制備了鐵酸鉍-氧化鉍復(fù)合材料。

本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供上述鐵酸鉍-氧化鉍復(fù)合材料的應(yīng)用。

本發(fā)明所提供的鐵酸鉍-氧化鉍復(fù)合材料的應(yīng)用是其在可見(jiàn)光催化領(lǐng)域中的應(yīng)用。所述可見(jiàn)光催化劑對(duì)單體小分子有機(jī)物都具有一定的催化效能,可用于降解空氣中有機(jī)污染物,如甲醛、甲苯等。