[發明專利]鐵酸鉍催化劑及其制備方法和用途

有效

• 申請號: 202010050056.3
• 申請日: 2020-01-17
• 公開（公告）號: CN111229240B
• 公開（公告）日: 2021-05-04
• 發明（設計）人: 張丁
• 申請（專利權）人: 力行氫能科技股份有限公司
• 主分類號: B01J23/843
• 分類號: B01J23/843;B01J37/10;C01B3/04;A62D3/17;C01G49/00;A62D101/26;A62D101/28
• 代理公司: 北京沃杰永益知識產權代理事務所(普通合伙) 11905
• 代理人: 楊杰

本發明公開一種鐵酸鉍催化劑及其制備方法和用途。本發明的制備方法包括以海藻酸鈉水溶液為晶體生長導向劑制備鐵酸鉍前驅體，使鐵酸鉍前驅體與堿性溶液混合，在適于鐵酸鉍體前驅體與堿性溶液反應的溫度下反應，得到鐵酸鉍催化劑。本發明的鐵酸鉍催化劑為純相催化劑，并且具有制備方法簡單、晶體結晶度高、晶體形貌規則的特點，其催化性能顯著提高，在光催化制氫以及污染物光催化降解方面具有廣闊應用前景。

技術領域

本發明涉及催化劑領域，具體地涉及鐵酸鉍催化劑及其制備方法和用途。

背景技術

多鐵材料是指同時具有兩種或兩種以上鐵性有序(例如鐵電、磁性等)的一類智能材料，已入選2007年度美國《科學》雜志公布的熱點科學問題。鐵酸鉍Bi₂Fe₄O₉(BFO)作為室溫單相多鐵性材料，不但具有優越的鐵電特性，同時由于電、磁、應變之間的耦合作用，可以實現用電場控制磁化，是研究新型多鐵材料的熱點。該催化劑材料具有遠高于室溫的反鐵磁奈爾溫度和鐵電居里溫度，是少數在室溫條件下同時具有鐵電性與寄生弱鐵磁性的單相多鐵材料之一。

在光催化領域應用方面，尤其是太陽能作為一種新能源，可以利用光催化劑將水分解為氫氣和氧氣。由于分解水產氧是一個四電子反應，所以是分解水的決速步驟，因此需要開發一種高效分解水產氧光催化劑。目前，已經開發出大量的光催化分解水產氧催化劑，包括氧化鈦、釩酸鉍、氧化鎢等，致力于制備高效的半導體基光催化劑。其中鐵酸鉍作為一種n型半導體，原料成本低，材料無毒無害等，已用于光催化分解水、處理環境污染物等。而且由于其具有合適的窄帶隙(約2.0eV)，而且價帶位置較正(約2.5V)，可以在熱力學上滿足光催化分解水產氧的需求。這些特殊的性質使具有極大的應用潛力和商業前景。

目前，已有多種制備方法用于制備鐵酸鉍材料，例如固相燒結法、磁控濺射法、快速液相燒結法、溶膠凝膠法、水熱法和微波水熱法等。傳統制備方法通常需要在600℃預燒，然后加熱到750℃到850℃之間得到產物。另外，傳統制備方法得到的鐵酸鉍顆粒大且難以調節尺寸。雖然有研究表明加入有機助劑可以降低溫度，但造價較高不利于工業生產。

例如，CN101890354A公開了一種降解水中有機污染物的鐵酸鉍光催化劑的制備方法。該方法采用溶劑熱法合成光催化劑鐵酸鉍，合成時硝酸鉍與硝酸鐵的摩爾比為12：1，采用氙燈為光源，然后將鐵酸鉍與不同濃度的中性紅溶液充分混合以光催化降解水溶液中的中性紅染料。但該方法合成的催化劑顆粒尺寸大，因此反應比表面積較小。

再例如，王奔通過結合超聲化學法與自蔓延法，制備出納米級鐵酸鉍粉體。不過，X射線衍射(XRD)數據表明，制備出的粉體是含有少量雜相的納米級鐵酸鉍。通過透射電鏡與粒徑分析儀對制備出的粉體進行分析，發現超聲可以有效地減少納米顆粒的半徑[王奔.多鐵性鐵酸鉍的合成與改性[D].蘇州大學,2013]。

因此，找到一種制備方法簡單且鐵酸鉍粒徑可調的新方法是鐵酸鉍催化劑合成中面臨的一項挑戰。此外，鐵酸鉍催化劑本身具有的電荷遷移率、光生電荷的復合等性能遠未達到理想水平，仍需進一步提高。

發明內容

為解決現有技術中的至少部分技術問題，發明人進行了深入研究，通過大量實驗發現通過加入海藻酸鈉水溶液作為晶體生長導向劑制備鐵酸鉍前驅體，并控制堿性溶液的濃度、反應時間能夠制備粒徑可調且具有納米級片狀結構的鐵酸鉍純相催化劑，催化劑的催化性能大大提高。至少部分地基于該發現完成了本發明。具體地，本發明包括以下內容。

本發明的第一方面，提供一種鐵酸鉍催化劑的制備方法，其包括以下步驟：

(1)鐵酸鉍前驅體的制備步驟，其包括將鐵源和海藻酸鈉水溶液混合，并加入鉍源，攪拌均勻后得到鐵酸鉍前驅體；和

(2)鐵酸鉍催化劑的制備步驟，其包括使所述鐵酸鉍前驅體與堿性溶液混合，在適于鐵酸鉍體前驅體與堿性溶液反應的溫度下混合反應，得到鐵酸鉍催化劑。