CN102513135A - 一种BiOI/AgX可见光响应光催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents

一种BiOI/AgX可见光响应光催化剂及其制备方法和应用 Download PDF

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刘森森
章燕清
蔡平
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Abstract

本发明公开了一种BiOI/AgX可见光响应光催化剂，由AgX负载BiOI构成，其中BiOI与AgX的质量比1:0.05；本发明还公开了上述BiOI/AgX可见光响应光催化剂的超声制备方法和光照制备方法以及BiOI/AgX可见光响应光催化剂的在处理染料和苯酚方面的应用。本发明的BiOI/AgX可见光响应光催化剂能有效地拓展光谱响应范围，提高光生载流子分离效率，显示极高的光催化活性，在废水、有毒气体的深度净化处理等环境净化领域具有非常好的应用前景，此外，本发明的BiOI/AgX可见光响应光催化剂的制备方法制备工艺和生产设备简单，环保无害，并且非常易于工业化生产。

Description

一种BiOI/AgX可见光响应光催化剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及光催化剂领域，具体涉及一种BiOI/AgX可见光响应光催化剂及其制备方法和应用。 
背景技术
近些年来，世界范围内的环境污染问题日趋严重，控制污染、保护环境，实现可持续发展越来越受到人们的重视。目前使用的具有代表性的化学污染处理方法主要有：物理吸附法、化学氧化法、微生物处理法和高温焚烧法,这些方法对环境的保护和治理起了重大作用。但是这些技术不同程度地存在着或效率低，不能彻底将污染物无害化，易产生二次污染；或使用范围窄，仅适合特定的污染物；或能耗高，不适合大规模推广等方面的缺陷。因而，开发高效、低能耗、适用范围广和有深度氧化能力的化学污染物清除技术一直是环保技术追求的目标。 
光催化技术是一门新兴并正在发展的科学环保技术。它利用半导体材料在光照下表面能受激活化的特性，利用光能可有效地氧化分解有机物、还原重金属离子、杀灭细菌和消除异味。由于光催化技术可利用太阳能在室温下发生反应，比较经济；同时可将有机污染物完全矿化成水和无机离子，无二次污染，所以有着传统的高温、常规催化技术及吸附技术无法比拟的诱人魅力，是一种具有广阔应用前景的绿色环境治理技术。 
中国专利号为200910303193.7的专利公开了一种负载型光催化剂及其制备方法和应用，该光催化剂是以活性污泥炭颗粒为载体，载体上包覆有二氧化钛，载体与二氧化钛的质量比为（3～4）:1。这种二氧化钛的光催化效果虽然不错，但是二氧化钛仅在紫外光范围有响应，而波长在400nm 以下的紫外光部分不足太阳光总能量的5%，太阳光能量主要集中在400 ～700nm 的可见光范围，达总能量的43 %。因此研制可见光响应的催化剂是提高太阳能利用率，最终实现光催化技术产业化应用的关键。 
发明内容
为了解决上述存在的技术缺陷，本发明的第一个目的是提供一种无毒低毒、光利用率高的BiOI/AgX可见光响应光催化剂；本发明的第二个发明目的是提供工艺简单、成本低、效率利用率高的BiOI/AgX可见光响应光催化剂的超声制备方法；本发明的第三个目的是提供BiOI/AgX可见光响应光催化剂的光照制备方法；本发明的第四个目的是提供BiOI/AgX可见光响应光催化剂在处理染料废水污染物的应用。本发明简化了制备工艺，降低了生产成本，提高了光能利用率。 
为了实现上述的第一个目的，本发明采用了以下的技术方案： 
一种BiOI/AgX可见光响应光催化剂，由AgX负载BiOI构成，其中BiOI与AgX的质量比1:0.05。
优选的，所述的X为O或I。采用上述的优选方案后，可以拓展材料的光能利用率，促进光生电荷的有效分离，极大的提高BiOI的光催化活性。 
本发明制备的光催化材料用X-射线衍射技术分析可知，样品暴露的是（001）晶面，扫描电镜下观察产品均为片状 
BiOI片状结构长度为8～10μm，宽度5～6μm，厚度10～40nm，AgX纳米颗粒的直径为20～70nm。
为了实现上述的第二个目的，本发明采用了以下的技术方案： 
一种BiOI/AgX可见光响应光催化剂的超声制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）室温下，将摩尔比为1:2的铋盐和碘盐溶于水和乙醇的混合溶液中，在25～85℃的温度下反应5～30 min ，离心洗涤，得到BiOI粉体；
（2）将质量比为1:0.05的BiOI与银盐分散到DMF中，超声处理0.5～2h ，离心洗涤干燥后得到BiOI/AgX可见光响应光催化剂。
作为优选，所述的步骤（1）中的水和乙醇的混合溶液中水与乙醇的比例为1：1。 
作为优选，所述的步骤（1）中的铋盐为硝酸铋、五水硝酸铋或硝酸氧铋，所述的碘盐为碘化钠或碘化钾。采用上述的优选方案后，由于硝酸铋、五水硝酸铋或硝酸氧铋这类的铋盐和碘化钠或碘化钾这类的碘盐均易溶于水，会使反应更加均匀，不会带来除产物以外的杂质，使产物更加洁净。 
作为优选所述的步骤（2）中的DMF为含氮的有机溶剂，所述的含氮的有机溶剂为N，N-二甲基甲酰胺或N，N-二甲基已酰胺。采用上述的优选方案后，由于含氮的有机溶剂可以与银离子形成很好的配位作用，控制溶液中自由银离子的浓度，从而可以控制复合物中氧化银的含量与分布。这两种有机溶剂不仅易得，价格相对低廉，而且可以形成高品质的目标材料。  
为了实现上述的第三个目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种BiOI/AgX可见光响应光催化剂的光照制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）室温下，将摩尔比为1:2的铋盐和碘盐溶于水和乙醇的混合溶液中，在25～85℃的温度下反应5～30 min，再离心洗涤，得到BiOI粉体；
（2）将质量比为1:0.05的BiOI与银盐分散到乙醇和水的混合溶液中，在氙灯光源或汞灯光源下光照0.5～2h小时，再进行离心、干燥得到BiOI/AgX可见光响应光催化剂。
作为优选，所述的步骤（1）中的铋盐为硝酸铋、五水硝酸铋或硝酸氧铋，所述的碘盐为碘化钠或碘化钾，所述的银盐为硝酸银、醋酸银或氧化银。采用上述的优选方案后，由于硝酸铋、五水硝酸铋或硝酸氧铋这类的铋盐和碘化钠或碘化钾这类的碘盐均易溶于水，会使反应更加均匀，不会带来除产物以外的杂质，使产物更加洁净。 
作为优选，所述的步骤（2）中的乙醇和水的混合溶液中乙醇与水的体积比为1:1。采用上述的优选方案后，乙醇与水的最佳配比采用1:1，在该配比下获得的BiOI具有相对规整的形貌。也可以采用其它配比的乙醇和水的混合溶液来制备BiOI，但获得产物形貌大小不均匀。 
为了实现上述的第四个目的，本发明采用了以下的技术方案： 
一种BiOI/AgX可见光响应光催化剂在处理染料废水污染物的应用。
本发明的有益效果在于： 
（1）通过本发明的制备方法制备的光催化材料为片状结构，片状结构具有高活性的（001）晶面，较大的比表面积，有利于光生载流子的快速迁移到表面，从而具有高的光催化活性；
（2）在300W氙灯照射下，该催化剂降解罗丹明B，甲基橙，亚甲基蓝，橙黄，刚果红等染料仅需3min左右，对苯酚也显示出高效的降解效果，降解效果好；
（3）合成的催化材料保持了较高的吸附性能；
（4）该催化剂具有良好的稳定性能，四次循环使用后，仍然具有极高的光催化活性。
（5）制备生产过程简单，效率高，成本低； 
（6）原料无特殊要求且来源丰富，反应温度也较低，制备工艺，易于产业化。
附图说明
图1为本发明实施例的BiOI粉体在美国FEI公司的Nova NanoSEM200场发射扫描电镜拍摄的扫描电镜图片； 
图2为本发明实施例超声制备方法合成的BiOI/Ag2O在美国FEI公司的Nova NanoSEM200场发射扫描电镜拍摄的扫描电镜图片；
图3为本发明实施例光照制备方法合成的BiOI/Ag2I在美国FEI公司的Nova NanoSEM200场发射扫描电镜拍摄的扫描电镜图片；
图4为本发明实施例利用超声法和光照合成的光催化剂在德国BRUKER公司的D8 ADVANCE测试的合成产物的X-射线衍射花样；
图5中，a为本发明实施例利用超声法合成的催化剂在300W氙灯照射下对罗丹明B，刚果红，甲基橙，亚甲基蓝的光催化降解曲线；b为本发明实施例利用光照法合成的催化剂在300W氙灯照射下对罗丹明、橙黄Ⅱ、刚果红、甲基橙的光催化降解曲线；
图6为本发明实施例利用超声法合成的催化剂在300W氙灯照射下对罗丹明B、刚果红、甲基橙、亚甲基蓝的光催化降解的数码照片；
图7为本发明实施例利用超声法合成的催化剂在300W氙灯照射下对罗丹明做4次循环降解的光催化降解曲线； 
图8为本发明实施例利光照法合成的催化剂在300W氙灯照射下对罗丹明、橙黄Ⅱ、刚果红、甲基橙的光催化降解的数码照片；
图9为本发明实施例利用光照法合成的催化剂在300W氙灯照射下对罗丹明做4次循环降解的光催化降解曲线；
图10为本发明实施例利用超声法合成的催化剂在300W氙灯照射下对苯酚的光催化降解曲线。
具体实施方式
实施例1
（1）室温下，将1mmol的Bi（NO3）3分散到水和乙醇的混合溶液中，水和乙醇的混合溶液中水为25ml，乙醇为25ml，搅拌混合，然后加入2mmol的NaI，搅拌混合，将上述混合溶液放入微波反应仪中反应，反应温度为85℃，反应时间10min后取出冷却，离心，分别用去离子水和乙醇洗涤，将反应得到的产物放入烘箱中烘干，烘箱温度为60℃，烘干时间为4h，得到BiOI粉体。
（2）将质量比为1:0.05的BiOI与银盐分散到DMF中，超声处理1.2h，离心洗涤干燥后得到BiOI/AgX可见光响应光催化剂。 
实施例2
（1）室温下，将1mmol的Bi（NO3）3分散到水和乙醇的混合溶液中，水和乙醇的混合溶液中水为25ml，乙醇为25ml，搅拌混合，然后加入2mmol的NaI，搅拌混合，将上述混合溶液放入油浴锅加热反应，反应温度为75℃，反应时间15min后取出冷却，离心，分别用去离子水和乙醇洗涤，将反应得到的产物放入烘箱中烘干，烘箱温度为58℃，烘干时间为4h，得到BiOI粉体。
（2）将质量比为1:0.05的BiOI与银盐分散到DMF中，超声处理1h，离心洗涤干燥后得到BiOI/AgX可见光响应光催化剂。 
实施例3
（1）室温下，将1mmol的Bi（NO3）3分散到水和乙醇的混合溶液中，水和乙醇的混合溶液中水为25ml，乙醇为25ml，搅拌混合，然后加入2mmol的NaI，搅拌混合，将上述混合溶液放入水浴锅加热反应，反应温度为60℃，反应时间25min后取出冷却，离心，分别用去离子水和乙醇洗涤，将反应得到的产物放入烘箱中烘干，烘箱温度为57℃，烘干时间为4h，得到BiOI粉体。
（2）将质量比为1:0.05的BiOI与银盐分散到DMF中，超声处理2h，离心洗涤干燥后得到BiOI/AgX可见光响应光催化剂。  
实施例4
（1）室温下，将1mmol的Bi（NO3）3分散到水和乙醇的混合溶液中，水和乙醇的混合溶液中水为25ml，乙醇为25ml，搅拌混合，然后加入2mmol的NaI，搅拌混合，将上述混合溶液加入聚四氟乙烯内衬中，并密封，再将聚四氟乙烯内衬放入烘箱中加热反应，加热温度为80℃，加热2h，离心，洗涤，干燥得到BiOI粉体。
（2）将质量比为1:0.05的BiOI与银盐分散到DMF中，超声处理1h，离心洗涤干燥后得到BiOI/AgX可见光响应光催化剂。 
实施例5
（1）室温下，将1mmol的Bi（NO3）3分散到水和乙醇的混合溶液中，水和乙醇的混合溶液中水为25ml，乙醇为25ml，搅拌混合，然后加入2mmol的NaI，搅拌混合，将上述混合溶液放入超声机中超声反应2h，再取出冷却，离心，分别用去离子水和乙醇洗涤，将反应得到的产物放入烘箱中烘干，烘箱温度为60℃，烘干时间为4h，得到BiOI粉体。
（2）将质量比为1:0.05的BiOI与银盐分散到DMF中，超声处理0.7h，离心洗涤干燥后得到BiOI/AgX可见光响应光催化剂。 
实施例6
（1）室温下，将1mmol的Bi（NO3）3分散到水和乙醇的混合溶液中，水和乙醇的混合溶液中水为25ml，乙醇为25ml，搅拌混合，然后加入2mmol的NaI，搅拌混合，将上述混合溶液放入微波反应仪中反应，反应温度为℃，反应时间10min后取出冷却，离心，分别用去离子水和乙醇洗涤，将反应得到的产物放入烘箱中烘干，烘箱温度为60℃，烘干时间为4h，得到BiOI粉体。
（2）称取步骤（1）中得到的BiOI粉体0.5mmol，为0.176g，将称得的BiOI粉体加入到5mL的DMF溶液中，加入0.0088g的Ag2O，将上述混合溶液超声离心2h，再洗涤固体样品，在60℃的温度下真空干燥6h，得到BiOI/AgI。 
实施例7
（1）室温下，将1mmol的Bi（NO3）3分散到水和乙醇的混合溶液中，水和乙醇的混合溶液中水为25ml，乙醇为25ml，搅拌混合，然后加入2mmol的NaI，搅拌混合，将上述混合溶液放入微波反应仪中反应，反应温度为79℃，反应时间10min后取出冷却，离心，分别用去离子水和乙醇洗涤，将反应得到的产物放入烘箱中烘干，烘箱温度为60℃，烘干时间为4h，得到BiOI粉体。
（2）称取步骤（1）中得到的BiOI粉体0.5mmol，为0.176g，将称得的BiOI粉体加入到水和乙醇的混合溶液中，该水和乙醇的混合溶液中水的体积为50mL，乙醇的体积为50 mL，搅拌混合，在上述的混合溶液中加入0.0088g的AgNO3，再将上述混合物中置于500W的氙灯下光照1h，再取出进行离心和洗涤，得到固体样品，将固体样品在60℃真空下干燥6h，得到BiOI/Ag2O。 
实施例8
分别取10-5mol/L的罗丹明B溶液100ml，10-5mol/L的亚甲基蓝溶液100ml，10-5mol/L的甲基橙溶液100ml和4*10-5mol/L的刚果红溶液100ml，并在上述溶液中分别加入0.1g的由实施例6制得的BiOI/AgI，将上述混合溶液置于黑暗环境中搅拌2h，以达到吸附脱附平衡，再置于300 W氙灯的光源下，并进行磁力搅拌，分别隔15s、15s、30s、60s、60s固定时间进行取样，进行离心，取上层清夜进行吸光度测试，实验结果如图5所示。
实施例9
分别取10-5mol/L的罗丹明B溶液100ml，4*10-5mol/L的橙黄Ⅱ100ml，4*10-5mol/L的甲基橙溶液100ml和8*10-5mol/L的刚果红溶液100ml，并在上述溶液中分别加入0.1g的由实施例7制得的BiOI/AgI，将上述混合溶液置于黑暗环境中搅拌2h，以达到吸附脱附平衡，再置于300 W氙灯的光源下，并进行磁力搅拌，每隔15s、15s、30s、60s、60s 固定时间取样，进行离心，取上层清夜进行吸光度测试，实验结果如图7所示。
由图7可以看出，浓度为10-5 mol/L的罗丹明B溶液吸收前的紫外吸光度为1.842，吸附后下降到1.032。 
实施例10
取10-4mol/L的苯酚溶液100ml，加入0.1g的由实施例1制得的BiOI/AgI，混合，将上述混合溶液置于黑暗环境中搅拌2h，以达到吸附脱附平衡，再置于300 W氙灯的光源下，并进行磁力搅拌，每隔 0 min、2 min、 4 min、 8 min、 16 min、 32 min固定时间取样，进行离心，取上层清夜进行吸光度测试，实验结果如图10所示。

Claims (9)

1.一种BiOI/AgX可见光响应光催化剂，其特征在于：由AgX负载BiOI构成，其中BiOI与AgX的质量比1:0.05。
2.根据权利要求1所述的BiOI/AgX可见光响应光催化剂，其特征在于：所述的X为O或I。
3.根据权利要求1或2所述的BiOI/AgX可见光响应光催化剂的超声制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）室温下，将摩尔比为1:2的铋盐和碘盐溶于水和乙醇的混合溶液中，在25～85℃的温度下反应5～30 min，离心洗涤，得到BiOI粉体；
（2）将质量比为1:0.05的BiOI与银盐分散到DMF中，超声处理0.5～2h，离心洗涤干燥后得到BiOI/AgX可见光响应光催化剂。
4.根据权利要求3所述的BiOI/AgX可见光响应光催化剂的超声制备方法，其特征在于：所述的步骤（1）中的铋盐为硝酸铋、五水硝酸铋或硝酸氧铋，所述的碘盐为碘化钠或碘化钾。
5.根据权利要求3所述的BiOI/AgX可见光响应光催化剂的超声制备方法，其特征在于：所述的步骤（2）中的DMF为含氮的有机溶剂，所述的含氮的有机溶剂为N，N-二甲基甲酰胺或N，N-二甲基已酰胺。
6.根据权利要求1或2所述的BiOI/AgX可见光响应光催化剂的光照制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）室温下，将摩尔比为1:2的铋盐和碘盐溶于水和乙醇的混合溶液中，在25～85℃的温度下反应5～30 min，再离心洗涤，得到BiOI粉体；
（2）将质量比为1:0.05的BiOI与银盐分散到乙醇和水的混合溶液中，在氙灯光源或汞灯光源下光照0.5～2h小时，再进行离心、干燥得到BiOI/AgX可见光响应光催化剂。
7.根据权利要求6所述的BiOI/AgX可见光响应光催化剂的光照制备方法，其特征在于：所述的步骤（1）中的铋盐为硝酸铋、五水硝酸铋或硝酸氧铋，所述的碘盐为碘化钠或碘化钾，所述的银盐为硝酸银、醋酸银或氧化银。
8.根据权利要求6所述的BiOI/AgX可见光响应光催化剂的光照制备方法，其特征在于：所述的步骤（2）中的乙醇和水的混合溶液中乙醇与水的体积比为1:1。
9.根据权利要求1或2中任一项所述的或根据权利要求3～5中任一项或6～8中任一项制备得到的BiOI/AgX可见光响应光催化剂在处理染料废水污染物的应用。
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