[發明專利]一種具有可見光催化特性的BiVO4薄膜制備方法

有效

• 申請號: 201510564580.1
• 申請日: 2015-09-08
• 公開（公告）號: CN105344348A
• 公開（公告）日: 2016-02-24
• 發明（設計）人: 隋美蓉
• 申請（專利權）人: 徐州醫學院
• 主分類號: B01J23/22
• 分類號: B01J23/22;B01J37/34;B01J35/06;C01G31/00
• 代理公司: 徐州支點知識產權代理事務所(普通合伙) 32244
• 代理人: 劉新合

技術領域

本發明涉及具有可見光催化特性的BiVO₄薄膜及其制備方法，屬于半導體光催化領域。

背景技術

當前，能源和環境問題已經嚴重制約著我國經濟的發展和人民生活水平的提高。利用廉價的太陽能使水分解產生清潔、高效的能源——氫氣一直以來都是人們追求的理想和目標，被譽為“化學皇冠上的明珠”。實現這一目標可以采用兩種方式：光催化和光電催化，前者是將粉末直接分散于水溶液中；后者則是現將顆粒固定在導電基底上形成電極，繼而與對電極、電解液等構成回路得以實現。從商業應用的角度上來分析，后者顯然更有優勢，它不僅能夠更有效地使電子、空穴分離，促進光催化的速度，而且作為催化劑的電極容易被回收利用，且產物易于分離。其實，早在1972年，光電催化行為就已經被日本東京大學的研究生藤島昭及其導師本田在TiO₂單晶體上發現。但由于其禁帶寬度較大（3.0eV以上），導致其對太陽光的捕獲能力有限（不足5%），進而制約了其的商業化應用。

作為一種新型環保的半導體光催化劑，BiVO₄有著較窄的帶隙：2.4eV，能有效吸收并利用廉價的太陽光，在光照下產生較強的光催化氧化活性。同時，該材料的化學性質十分穩定，不容易發生光腐蝕現象，有著廣泛的應用前景。將BiVO₄制成薄膜有著極其強的現實意義，一方面使得光催化劑能夠有效回收分離和再利用，另一方面也使光電催化成為可能，光電催化相比單純的光催化對于降解污染物更徹底。總的來說，當前制備BiVO₄薄膜的方法主要有幾種：溶膠-凝膠法（先將超細BiVO₄粉末配成漿料在通過旋涂法沉積得到）、模板法（先在基底上平鋪一層或多層PS微球，然后再將BiVO₄漿料灌注其內部縫隙中得到）、電泳沉積法（先將BiVO₄粉末分散于有機溶劑中形成電解液，并讓顆粒表面帶上電荷，然后外加一定的電壓驅使帶電微粒定向運動形成薄膜）。相比前兩種方法，電泳沉積方法工藝路線簡單、膜層厚度容易實現可控，同時膜層的致密度也較高，易于實現批量生產。

然而對BiVO₄薄膜來說，其可見光催化活性目前還仍然較低，主要原因在于其內部受光激發而產生電子、空穴較容易發生復合（存活時間極短）。提高BiVO₄光電催化活性的方法有很多，如在其表面沉積金屬納米顆粒，與其它半導體形成復合結構體系，對其進行金屬離子摻雜等。本發明涉及到采用二步法（水熱合成出前驅體，電泳沉積得到膜層）制備出BiVO₄光陽極，進而對其進行后續熱處理以增強其光電催化活性。

發明內容

發明目的：本發明的目的在于提供一種提高釩酸鉍光催化活性的方法，通過電泳沉積的方法將BiVO₄粉末固定在導電基底上，調節電泳沉積電壓，得出適宜制備BiVO₄膜層的工藝路線和參數。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：一種具有可見光催化特性的BiVO₄薄膜制備方法，采用水熱法制備出BiVO₄粉末，再采用電泳沉積方法得到BiVO₄膜層，隨后，對BiVO₄膜層進行熱處理。

所述的水熱法制備出BiVO₄粉末，是在高壓反應釜中進行的，反應原料為Bi(NO₃)₂、NH₄VO₃和去離子水。

構成光陽極核心部分的BiVO₄膜層是采用電泳沉積方法得到的，前驅體為BiVO₄懸濁液，使用有機溶劑進行分散，電泳沉積電壓10-40V，電泳時間1-60min。

制備BiVO₄膜層采用的基底是ITO、FTO導電玻璃、Ti片或者Si單晶基片中任意的一個。

上述需對制備好的BiVO₄膜層進行煅燒，煅燒溫度300~800℃。

所述的煅燒時間為30min至7h。

所述的煅燒氣氛是真空、空氣以及N₂或者Ar氣保護氣氛中的任意一個。

優選的，水熱法制備出BiVO₄粉末過程中，水熱合成反應溫度為180~220℃，反應時間為15~24h。

優選的，所述的有機溶劑為異丙醇或丙酮。