CN102500356A - 一种碳纳米管-纳米钒酸铋复合光催化剂的制备方法 - Google Patents

一种碳纳米管-纳米钒酸铋复合光催化剂的制备方法 Download PDF

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薛罡
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Abstract

本发明涉及一种碳纳米管-纳米钒酸铋复合光催化剂的制备方法，包括：(1)将铋盐、稳定剂加入到磷酸盐缓冲液中，搅拌形成悬浊液；将偏钒酸盐溶解到磷酸盐缓冲液中，然后再加入到上述悬浊液中，搅拌形成透明溶液；(2)用碱性溶液调节上述透明溶液的pH值为6.0～8.0，然后维持在40～100℃温度下加入碳纳米管，搅拌至混合均匀后离心、过滤、洗涤，再放入马弗炉中焙烧，最后经冷却研磨，即得。本发明制备方法简单易行，对设备的要求低，可操作性好；本发明制备的碳纳米管粉体钒酸铋分布均匀，能够在紫外光和可见光条件下高效降解持久性有毒有害物质，利用简便且可回收再生。

Description

一种碳纳米管-纳米钒酸铋复合光催化剂的制备方法
技术领域
本发明属于纳米钒酸铋复合光催化剂的制备领域，特别涉及一种碳纳米管-纳米钒酸铋复合光催化剂的制备方法。
背景技术
近年来，以二氧化钛(TiO2)为核心代表的光催化技术在环境污染治理领域，特别是在难生物降解废水处理和空气净化中的应用越来越广泛，但由于其带隙较宽，仅能够在紫外光照射下才具有光催化作用，从而限制了其应用领域的进一步扩大。为了能够提高TiO2对太阳光的利用效率，国内外很多专家学者围绕着可见光响应的TiO2光催化剂展开了大量的研究工作，主要针对TiO2光催化剂表面结构改性、无机元素和金属元素掺杂改性等，旨在扩大其光谱响应范围，提高其可见光催化活性。尽管如此，经过改性的TiO2光催化剂在目前阶段仍然存在着可见光催化活性不理想，光降解能力较差等问题，导致其实用性较差。
最近的研究发现，具有单斜晶系白钨矿结构的复合氧化物钒酸铋(BiVO4)在可见光照射下就具有光催化活性，能够分解水分子产氧和降解有机污染物，是一种潜在的光催化剂。然而，BiVO4的吸附性能很差，而且产生的光生载流子难以迁移，容易复合，从而影响了其可见光活性。目前关于针对BiVO4的复合改性和掺杂的研究报道较少，另外关于将其负载于吸附性能好的多孔材料，如活性炭等的报道也不多，因此，如何增强其在可见光范围内的吸收，以及提高其可见光催化活性，是目前研究开发BiVO4高效光催化剂的主要研究重点。
污水处理常规方法主要有：物理分离法、生物降解法、化学分解法等，但这些方法都存在一定的局限性，因此，研究人员开始致力于开发高效、低能耗、适用范围广和有深度氧化能力的水净化技术。近年来，很多学者将TiO2用于光催化降解水体中的有机污染物，虽然取得了一定的效果，但由于其光响应范围的限制，导致处理效果往往不够理想。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种碳纳米管-纳米钒酸铋复合光催化剂的制备方法，该方法操作简单易行，对设备的要求低，制备的碳纳米管粉体钒酸铋分布均匀，能够在紫外光和可见光条件下高效降解持久性有毒有害物质。
一种碳纳米管-纳米钒酸铋复合光催化剂的制备方法，包括：
(1)将铋盐、稳定剂加入到磷酸盐缓冲液中，搅拌形成悬浊液；将偏钒酸盐溶解到磷酸盐缓冲液中，然后再加入到上述悬浊液中，搅拌形成透明溶液；其中铋盐和偏钒酸盐的物质的量浓度均为0.05～0.25mol/L，稳定剂的物质的量浓度为0.01～0.05mol/L；
(2)用碱性溶液调节上述透明溶液的pH值为6.0～8.0，然后维持在40～100℃温度下加入碳纳米管，搅拌至混合均匀后离心、过滤、洗涤，再放入马弗炉中，在250～400℃下焙烧3～6h，最后经冷却研磨，即得；其中加入的碳纳米管与铋盐的质量比为2～10∶1。
步骤(1)中所述的搅拌形成悬浊液的搅拌时间为30～60min。
步骤(1)中所述的铋盐为硝酸铋、氯化铋或醋酸铋。
步骤(1)中所述的稳定剂为葡萄糖酸钠、乙二胺四乙酸二钠或丁烷四羧酸。
步骤(1)中所述的偏钒酸盐为偏钒酸钠、偏钒酸钾或偏钒酸铵中。
步骤(1)中所述的铋盐和偏钒酸盐的摩尔比为1∶1。
步骤(1)中所述的磷酸盐缓冲液由物质的量浓度为0.05mol/L的磷酸二氢钾和0.035mol/L的氢氧化钠组成。
步骤(2)中所述的碱性溶液为浓度1.0～3.0mol/L的氢氧化钠或氢氧化钾水溶液。
碳纳米管本身是一种性能良好的吸附剂，具有比表面积大和吸附能力强等特点，在水处理应用中还能够同时达到吸附去除重金属离子等无机污染物的有益效果。本发明利用碳纳米管独特的层状中空结构特征、比表面积大、吸附能力强等特点，结合BiVO4的可见光催化活性，成功地制备出具有高催化活性可见光响应的碳纳米管-纳米BiVO4光催化材料，并且将其应用于生物难降解废水的深度处理，可以实现对水中有机污染物的高效去除，特别是对常规处理难以有效去除的持久性微污染物，而且无二次污染问题。
有益效果
(1)本发明制备方法简单易行，对设备的要求低，可操作性好；
(2)本发明制备的碳纳米管粉体钒酸铋分布均匀，能够在紫外光和可见光条件下高效降解持久性有毒有害物质，利用简便且可回收再生。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
(1)将硝酸铋、乙二胺四乙酸二钠加入到磷酸盐缓冲液中，磁力搅拌30min，形成悬浊液；将偏钒酸钠先均匀溶于磷酸盐缓冲液，然后逐滴加入到上述悬浊液中，不断磁力搅拌均匀，形成透明溶液；其中硝酸铋和偏矾酸钠的物质的量浓度均为0.05mol/L，乙二胺四乙酸二钠物质的量浓度为0.01mol/L，磷酸盐缓冲液由物质的量浓度为0.05mol/L的磷酸二氢钾和0.035mol/L的氢氧化钠组成；
(2)采用浓度为1.0mol/L的氢氧化钠溶液调节上述透明溶液的pH值为6.0，然后在40℃下加入碳纳米管，硝酸铋与碳纳米管的质量比为1∶2，连续磁力搅拌混合，离心、过滤，洗涤后，放入马弗炉，在250℃下焙烧3h，经冷却研磨后，即得碳纳米管-纳米钒酸铋复合光催化剂粉体。
实施例2
(1)将醋酸铋、丁烷四羧酸加入到磷酸盐缓冲液中，磁力搅拌45min，形成悬浊液；将偏钒酸钾先均匀溶于磷酸盐缓冲液，然后逐滴加入到上述悬浊液中，不断磁力搅拌均匀，形成透明溶液；其中醋酸铋和偏钒酸钾物质的量浓度均为0.15mol/L，丁烷四羧酸物质的量浓度为0.025mol/L，磷酸盐缓冲液由物质的量浓度为0.05mol/L的磷酸二氢钾和0.035mol/L的氢氧化钠组成；
(2)采用浓度为2.0mol/L的氢氧化钠水溶液调节上述透明溶液的pH值为7.0，然后在70℃下加入碳纳米管，醋酸铋与碳纳米管的质量比为1∶5，连续磁力搅拌混合，离心、过滤，洗涤后，放入马弗炉，在320℃下焙烧5h，经冷却研磨后，即得碳纳米管-纳米钒酸铋复合光催化剂粉体。
实施例3
(1)将氯化铋、葡萄糖酸钠加入到磷酸盐缓冲液中，磁力搅拌60min，形成悬浊液；将偏钒酸铵先均匀溶于磷酸盐缓冲液，然后逐滴加入到上述悬浊液中，不断磁力搅拌均匀，形成透明溶液；其中氯化铋和偏钒酸铵物质的量浓度均为0.25mol/L，葡萄糖酸钠物质的量浓度为0.05mol/L，磷酸盐缓冲液由物质的量浓度为0.05mol/L的磷酸二氢钾和0.035mol/L的氢氧化钠组成；
(2)采用浓度为3.0mol/L的氢氧化钾水溶液调节上述透明溶液的pH值为8.0，然后在100℃下加入碳纳米管，氯化铋和碳纳米管的质量比为1∶10，连续磁力搅拌混合，离心、过滤，洗涤后，放入马弗炉，在400℃下焙烧6h，经冷却研磨后，即得碳纳米管-纳米钒酸铋复合光催化剂粉体。
实施例4
废水处理实验：以某印染厂最终排放的混合印染废水为处理对象，经过微滤膜过滤预处理后，在其中分别加入相同量通过实施例1～例3所制得的光催化剂，连续在太阳光下照射4h，对印染废水的脱色率和CODCr去除率分别如下表所示：
  脱色率   CODCr去除率
  实施例1   95.2％   91.1％
  实施例2   99.1％   97.7％
  实施例3   98.5％   96.1％

Claims (8)

1.一种碳纳米管-纳米钒酸铋复合光催化剂的制备方法，包括：
(1)将铋盐、稳定剂加入到磷酸盐缓冲液中，搅拌形成悬浊液；将偏钒酸盐溶解到磷酸盐缓冲液中，然后再加入到上述悬浊液中，搅拌形成透明溶液；其中铋盐和偏钒酸盐的物质的量浓度均为0.05～0.25mol/L，稳定剂的物质的量浓度为0.01～0.05mol/L；
(2)用碱性溶液调节上述透明溶液的pH值为6.0～8.0，然后维持在40～100℃温度下加入碳纳米管，搅拌至混合均匀后离心、过滤、洗涤，再放入马弗炉中，在250～400℃下焙烧3～6h，最后经冷却研磨，即得；其中加入的碳纳米管与铋盐的质量比为2～10∶1。
2.根据权利要求1所述的一种碳纳米管-纳米钒酸铋复合光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的搅拌形成悬浊液的搅拌时间为30～60min。
3.根据权利要求1所述的一种碳纳米管-纳米钒酸铋复合光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的铋盐为硝酸铋、氯化铋或醋酸铋。
4.根据权利要求1所述的一种碳纳米管-纳米钒酸铋复合光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的稳定剂为葡萄糖酸钠、乙二胺四乙酸二钠或丁烷四羧酸。
5.根据权利要求1所述的一种碳纳米管-纳米钒酸铋复合光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的偏钒酸盐为偏钒酸钠、偏钒酸钾或偏钒酸铵。
6.根据权利要求1所述的一种碳纳米管-纳米钒酸铋复合光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的铋盐和偏钒酸盐的摩尔比为1∶1。
7.根据权利要求1所述的一种碳纳米管-纳米钒酸铋复合光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的磷酸盐缓冲液由物质的量浓度为0.05mol/L的磷酸二氢钾和0.035mol/L的氢氧化钠组成。
8.根据权利要求1所述的一种碳纳米管-纳米钒酸铋复合光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的碱性溶液为浓度1.0～3.0mol/L的氢氧化钠或氢氧化钾水溶液。
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