CN103007921B - 一种微波水热法合成碳掺杂BiVO4光催化剂的方法 - Google Patents
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Abstract
一种微波水热法合成碳掺杂BiVO4光催化剂的方法，将Bi(NO3)3·5H2O和NH4VO3分别溶于去离子水中，按照Bi:V=1:1的摩尔比混合，得混合液;将葡萄糖按C6H12O6:Bi(NO3)3·5H2O=(0.01~0.15):1的摩尔比加入混合液中，搅拌均匀，形成前驱体；将前驱体放入反应釜中，设定反应温度为200℃，保温40min，将生成的沉淀取出，洗涤、干燥，得到碳掺杂BiVO4光催化剂。本发明采用微波水热法一步合成碳掺杂BiVO4光催化剂，无需煅烧，操作简单，合成的碳掺杂BiVO4光催化剂具有良好的光催化活性，达到了对BiVO4进行改性的目的。
Description
【技术领域】
本发明属于功能材料领域，具体涉及一种微波水热法合成碳掺杂BiVO4光催化剂的方法。
【背景技术】
近年来，随着全球经济的飞速发展，全球环境污染问题和可持续能源短缺问题日益严重，因此，寻求一种治理环境和解决能源问题的有效途径，已成为全世界急待解决的问题。许多金属氧化物半导体材料如BiVO4、BiWO6、Bi2O3、WO3、Fe2O3、Cu2O等因既能光催化降解污染物又能光分解水制氢、制氧而得到了广泛的关注。其中，BiVO4因其较窄的带隙(约2.4eV)、较高的光化学稳定性、较强的氧化还原能力及无毒、成本低等优点而被越来越多的应用于可见光光催化研究。[张爱平,张进治.分子催化.2010,51-56.]但是，由于纯BiVO4催化剂的载流子复合率高、量子效率低而导致其光催化活性较低，这大大限制了其在光催化氧化有机污染物和光分解水等领域的应用。为此，人们采用了多种手段对BiVO4进行改性，其中离子掺杂被认为是一种有效的改性手段。例如Ge采用注入法合成了Pd/BiVO4可见光响应型光催化剂。[Ge,L.Materials Chemistry and Physics,2008,107:465-470]。Xu等人研究了一系列稀土元素(Ho、Sm、Yb、Eu、Gd、Nd、Ce、La)掺杂BiVO4粉体的光催化性能[Xu,H.,et al.AppliedSurface Science，2009,256:597-602]。Duk Kyu Lee等人以蔗糖为碳源采用浸渍法制备了碳掺杂的钒酸铋。[Duk Kyu Lee,In-Sun Cho. Materials Chemistry and Physics,2010,119:106～111]。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种微波水热法合成碳掺杂BiVO4光催化剂的方法，该制备方法操作简单，反应速度快，无需煅烧处理，制得的粉体粒径均匀，且光催化性能良好。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种微波水热法合成碳掺杂BiVO4光催化剂的方法，包括以下步骤：
步骤1：将Bi(NO3)3·5H2O溶于去离子水中，搅拌均匀，得铋盐溶液，将NH4VO3溶于去离子水中，加热搅拌均匀，得钒盐溶液，将铋盐溶液和钒盐溶液按照Bi:V=1:1的摩尔比混合，形成混合液;
步骤2：将C6H12O6按照C6H12O6:Bi(NO3)3·5H2O=(0.01~0.15):1的摩尔比加入到混合液中，搅拌均匀，形成前驱体；
步骤3：将前驱体放入反应釜中，将反应釜放到微波水热仪中，微波水热反应至反应完全，反应完成后将生成的黄色沉淀取出，洗涤、干燥，得到碳掺杂BiVO4光催化剂。
本发明进一步的改进在于：步骤3中微波水热法的具体工艺为：选择微波控温模式：室温至100℃，微波功率为300W，100℃保温6min；100℃至150℃，微波功率为300W，150℃保温6min；150℃至200℃，微波功率为300W，200℃保温为40min，200℃保温时的压力为2.3MPa。
本发明进一步的改进在于：所述的步骤1中Bi(NO3)3·5H2O和 NH4VO3的用量均为0.01mol。
本发明进一步的改进在于：所述的步骤1中将Bi(NO3)3·5H2O溶于去离子水中搅拌40min。
本发明进一步的改进在于：所述的步骤1中将NH4VO3溶于90℃的去离子水中加热搅拌30min。
本发明进一步的改进在于：步骤1中铋盐溶液中Bi的浓度为0.4mol/L，钒盐溶液中V的浓度为0.4mol/L
本发明进一步的改进在于：所述的步骤2中的搅拌为磁力搅拌20min。
本发明进一步的改进在于：所述的步骤3中的洗涤为用去离子水和无水乙醇各洗涤3次。
本发明进一步的改进在于：所述的步骤3中的干燥为在70℃下干燥10h。
本发明进一步的改进在于：步骤2中C6H12O6：Bi(NO3)3·5H2O=0.05:1或C6H12O6：Bi(NO3)3·5H2O=0.15:1。
本发明进一步的改进在于：步骤2中C6H12O6：Bi(NO3)3·5H2O=0.05:1或C6H12O6：Bi(NO3)3·5H2O=0.15:1。
本发明进一步的改进在于：步骤3所得碳掺杂BiVO4光催化剂为单斜相。
本发明的进一步改进在于：所述的步骤3中的反应釜的内衬为聚四氟乙烯材质。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明以Bi(NO3)3·5H2O为铋源，以NH4VO3为钒源，以葡萄糖(C6H12O6)为碳源，采用微波水热法一步合成碳掺杂BiVO4光催化剂，本发明的制备方法反应速度快，无需煅烧，操作简单，成本较低，制得的碳掺杂BiVO4光催化剂为单斜相和四方相两种晶相，其中单斜相的碳掺杂BiVO4光催化剂在紫外光和可见光照射下的光催化活性均明显高于同等条件下制得的BiVO4粉体，四方相的碳掺杂BiVO4光催化剂在紫外光下的光催化活性明显高于同等条件下制得的BiVO4粉体，达到了对BiVO4进行改性的目的。
【附图说明】
图1是本发明制备的碳掺杂BiVO4光催化剂的XRD图谱，其中圆点表示单斜相BiVO4峰，菱形表示四方相BiVO4峰；
图2是本发明制备的碳掺杂BiVO4光催化剂的紫外光光催化性能图；
图3是本发明制备的碳掺杂BiVO4光催化剂的可见光光催化性能图。
【具体实施方式】
下面结合附图及实例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
一种微波水热法合成碳掺杂BiVO4光催化剂的方法，包括以下步骤：
步骤1：将0.01mol Bi(NO3)3·5H2O溶于25ml去离子水中，搅拌40min，得铋盐溶液，将0.01mol NH4VO3溶于25ml90℃去离子水中，加 热搅拌30min，得钒盐溶液，将铋盐溶液和钒盐溶液按照Bi:V=1:1的摩尔比混合，形成混合液;
步骤2：将葡萄糖按照C6H12O6：Bi(NO3)3·5H2O=0.01:1的摩尔比加入到步骤1制备的混合液中，磁力搅拌20min，形成前驱体；
步骤3：将前驱体放入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，将反应釜放到微波水热仪中，选择微波控温模式：室温至100℃，微波功率为300W，100℃保温6min；100℃至150℃，微波功率为300W，150℃保温6min；150℃至200℃，微波功率为300W，200℃保温为40min，200℃保温时的压力为2.3MPa；反应完成后将生成的黄色沉淀取出，用去离子水和无水乙醇各洗涤3次，在70℃下干燥10h，得到碳掺杂BiVO4光催化剂。
实施例2：
一种微波水热法合成碳掺杂BiVO4光催化剂的方法，包括以下步骤：
步骤1：将0.01mol Bi(NO3)3·5H2O溶于25ml去离子水中，搅拌40min，得铋盐溶液，将0.01mol NH4VO3溶于25ml90℃去离子水中，加热搅拌30min，得钒盐溶液，将铋盐溶液和钒盐溶液按照Bi:V=1:1的摩尔比混合，形成混合液;
步骤2：将葡萄糖按照C6H12O6：Bi(NO3)3·5H2O=0.05:1的摩尔比加入到混合液中，磁力搅拌20min，形成前驱体；
步骤3：将前驱体放入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，将反应釜放到微波水热仪中，选择微波控温模式：室温至100℃，微波功率为 300W，100℃保温6min；100℃至150℃，微波功率为300W，150℃保温6min；150℃至200℃，微波功率为300W，200℃保温为40min，200℃保温时的压力为2.3MPa；反应完成后将生成的黄色沉淀取出，用去离子水和无水乙醇各洗涤3次，在70℃下干燥10h，得到碳掺杂BiVO4光催化剂。
实施例3：
一种微波水热法合成碳掺杂BiVO4光催化剂的方法，包括以下步骤：
步骤1：将0.01mol Bi(NO3)3·5H2O溶于25ml去离子水中，搅拌40min，得铋盐溶液，将0.01mol NH4VO3溶于25ml90℃去离子水中，加热搅拌30min，得钒盐溶液，将铋盐溶液和钒盐溶液按照Bi:V=1:1的摩尔比混合，形成混合液;
步骤2：将葡萄糖按照C6H12O6：Bi(NO3)3·5H2O=0.10:1的摩尔比加入到混合液中，磁力搅拌20min，形成前驱体；
步骤3：将前驱体放入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，将反应釜放到微波水热仪中，选择微波控温模式：室温至100℃，微波功率为300W，100℃保温6min；100℃至150℃，微波功率为300W，150℃保温6min；150℃至200℃，微波功率为300W，200℃保温为40min，200℃保温时的压力为2.3MPa；反应完成后将生成的黄色沉淀取出，用去离子水和无水乙醇各洗涤3次，在70℃下干燥10h，得到碳掺杂BiVO4光催化剂。
实施例4：
一种微波水热法合成碳掺杂BiVO4光催化剂的方法，包括以下步骤：
步骤1：将0.01mol Bi(NO3)3·5H2O溶于25ml去离子水中，搅拌40min，得铋盐溶液，将0.01mol NH4VO3溶于25ml90℃去离子水中，加热搅拌30min，得钒盐溶液，将铋盐溶液和钒盐溶液按照Bi:V=1:1的摩尔比混合，形成混合液;
步骤2：将葡萄糖按照C6H12O6：Bi(NO3)3·5H2O=0.15：1的摩尔比加入到混合液中，磁力搅拌20min，形成前驱体；
步骤3：将前驱体放入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，将反应釜放到微波水热仪中，选择微波控温模式：室温至100℃，微波功率为300W，100℃保温6min；100℃至150℃，微波功率为300W，150℃保温6min；150℃至200℃，微波功率为300W，200℃保温为40min，200℃保温时的压力为2.3MPa；反应完成后将生成的黄色沉淀取出，用去离子水和无水乙醇各洗涤3次，在70℃下干燥10h，得到碳掺杂BiVO4光催化剂。
实施例5：
一种微波水热法合成碳掺杂BiVO4光催化剂的方法，包括以下步骤：
步骤1：将0.1mol Bi(NO3)3·5H2O溶于25ml去离子水中，搅拌40min，得铋盐溶液，将0.1mol NH4VO3溶于25ml90℃去离子水中，加热搅拌30min，得钒盐溶液，将铋盐溶液和钒盐溶液按照Bi:V=1:1的摩尔比混合，形成混合液;
步骤2：将葡萄糖按照C6H12O6：Bi(NO3)3·5H2O=0.03:1的摩尔比加入到混合液中，磁力搅拌20min，形成前驱体；
步骤3：将前驱体放入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，将反应釜放到微波水热仪中，选择微波控温模式：室温至100℃，微波功率为300W，100℃保温6min；100℃至150℃，微波功率为300W，150℃保温6min；150℃至200℃，微波功率为300W，200℃保温为40min，200℃保温时的压力为2.3MPa；反应完成后将生成的黄色沉淀取出，用去离子水和无水乙醇各洗涤3次，在70℃下干燥10h，得到碳掺杂BiVO4光催化剂。
实施例6：
一种微波水热法合成碳掺杂BiVO4光催化剂的方法，包括以下步骤：
步骤1：将1mol Bi(NO3)3·5H2O溶于25ml去离子水中，搅拌40min，得铋盐溶液，将1mol NH4VO3溶于25ml90℃去离子水中，加热搅拌30min，得钒盐溶液，将铋盐溶液和钒盐溶液按照Bi:V=1:1的摩尔比混合，形成混合液;
步骤2：将葡萄糖按照C6H12O6：Bi(NO3)3·5H2O=0.08:1的摩尔比加入到混合液中，磁力搅拌20min，形成前驱体；
步骤3：将前驱体放入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，将反应釜放到微波水热仪中，选择微波控温模式：室温至100℃，微波功率为300W，100℃保温6min；100℃至150℃，微波功率为300W，150℃保温6min；150℃至200℃，微波功率为300W，200℃保 温为40min，200℃保温时的压力为2.3MPa；反应完成后将生成的黄色沉淀取出，用去离子水和无水乙醇各洗涤3次，在70℃下干燥10h，得到碳掺杂BiVO4光催化剂。
实施例7：
一种微波水热法合成碳掺杂BiVO4光催化剂的方法，包括以下步骤：
步骤1：将3mol Bi(NO3)3·5H2O溶于25ml去离子水中，搅拌40min，得铋盐溶液，将3mol NH4VO3溶于25ml90℃去离子水中，加热搅拌30min，得钒盐溶液，将铋盐溶液和钒盐溶液按照Bi:V=1:1的摩尔比混合，形成混合液;
步骤2：将葡萄糖按照C6H12O6：Bi(NO3)3·5H2O=0.12:1的摩尔比加入到混合液中，磁力搅拌20min，形成前驱体；
步骤3：将前驱体放入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，将反应釜放到微波水热仪中，选择微波控温模式：室温至100℃，微波功率为300W，100℃保温6min；100℃至150℃，微波功率为300W，150℃保温6min；150℃至200℃，微波功率为300W，200℃保温为40min，200℃保温时的压力为2.3MPa；反应完成后将生成的黄色沉淀取出，用去离子水和无水乙醇各洗涤3次，在70℃下干燥10h，得到碳掺杂BiVO4光催化剂。
采用XRD测定本发明制备的碳掺杂BiVO4光催化剂的物相组成，图1是本发明制备的碳掺杂BiVO4光催化剂的XRD图谱，其中圆点表示单斜相BiVO4峰，菱形表示四方相BiVO4峰；图1中(a)为 未掺杂的BiVO4粉体的XRD图谱，(b)、(c)、(d)和(e)分别为按照实例1、实例2、实例3和实例4的方法制备出的碳掺杂BiVO4光催化剂的XRD图谱。从图1中可以看出碳掺杂量（制备过程中加入的葡萄糖量）对钒酸铋的晶体结构有影响，当C6H12O6与Bi(NO3)3·5H2O摩尔比为0.05:1和0.15:1时（实施例2和实施例4），得到的是单斜相（JCPDS NO.14-0688）的钒酸铋粉体；当C6H12O6与Bi(NO3)3·5H2O摩尔比为0.01:1和0.10:1时（实施例1和实施例3），得到的是四方相（JCPDS NO.14-0133）的钒酸铋粉体。
图2是本发明制备的碳掺杂BiVO4光催化剂的紫外光光催化性能图，其中(a)为未掺杂的BiVO4粉体的紫外光光催化性能图，(b)、(c)、(d)和(e)分别为实例1、实例2、实例3和实例4制备出的碳掺杂BiVO4光催化剂的紫外光光催化性能图，(f)为不添加BiVO4时的紫外光光催化性能图。从图2中可以看出，实施例1、实例2、实例3和实例4制备出的碳掺杂BiVO4光催化剂的光催化活性均明显高于未掺杂的BiVO4粉体的光催化活性，未掺杂的BiVO4粉体的光催化活性明显高于不添加BiVO4时的光催化活性。
图3是本发明制备的碳掺杂BiVO4光催化剂的可见光光催化性能图，其中(a)为未掺杂的BiVO4粉体的可见光光催化性能图，(b)、(c)、(d)和(e)分别为实例1、实例2、实例3和实例4制备出的碳掺杂BiVO4光催化剂的可见光光催化性能图，(f)为不添加BiVO4时的可见光光催化性能图。从图3中可以看出当C6H12O6与Bi(NO3)3·5H2O摩尔比为0.01:1和0.10:1时（实施例1和实施例3），制得的四方相碳掺杂BiVO4 光催化剂的光催化活性明显高于不添加BiVO4时的光催化活性，但低于未掺杂的BiVO4粉体的光催化活性，当C6H12O6与Bi(NO3)3·5H2O摩尔比为0.05:1和0.15:1时（实施例2和实施例4），制得的单斜相碳掺杂BiVO4光催化剂的光催化活性明显高于未掺杂的BiVO4粉体的光催化活性。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种微波水热法合成碳掺杂BiVO4光催化剂的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将Bi(NO3)3·5H2O溶于去离子水中，搅拌均匀，得铋盐溶液，将NH4VO3溶于去离子水中，加热搅拌均匀，得钒盐溶液，将铋盐溶液和钒盐溶液按照Bi:V＝1:1的摩尔比混合，形成混合液；
步骤2：将C6H12O6按照C6H12O6:Bi(NO3)3·5H2O＝(0.01～0.15):1的摩尔比加入到混合液中，搅拌均匀，形成前驱体；
步骤3：将前驱体放入反应釜中，将反应釜放到微波水热仪中，采用微波水热法反应至反应完全，反应完成后将生成的黄色沉淀取出，洗涤、干燥，得到碳掺杂BiVO4光催化剂；
步骤3中微波水热法的具体工艺为：选择微波控温模式：室温至100℃，微波功率为300W，100℃保温6min；100℃至150℃，微波功率为300W，150℃保温6min；150℃至200℃，微波功率为300W，200℃保温为40min，压力为2.3MPa；
步骤1中铋盐溶液中Bi的浓度为0.4mol/L，钒盐溶液中V的浓度为0.4mol/L；
步骤3所得碳掺杂BiVO4光催化剂为单斜相。
2.根据权利要求1所述的微波水热法合成碳掺杂BiVO4光催化剂的方法，其特征在于：所述的步骤1中Bi(NO3)3·5H2O和NH4VO3的用量均为0.01mol。
3.根据权利要求1所述的微波水热法合成碳掺杂BiVO4光催化剂的方法，其特征在于：所述的步骤1中将Bi(NO3)3·5H2O溶于去离子水中搅拌40min；所述的步骤1中将NH4VO3溶于90℃的去离子水中加热搅拌30min。
4.根据权利要求1所述的微波水热法合成碳掺杂BiVO4光催化剂的方法，其特征在于：所述的步骤2中的搅拌为磁力搅拌20min。
5.根据权利要求1所述的微波水热法合成碳掺杂BiVO4光催化剂的方法，其特征在于：所述的步骤3中的洗涤为用去离子水和无水乙醇各洗涤3次。
6.根据权利要求1所述的微波水热法合成碳掺杂BiVO4光催化剂的方法，其特征在于：所述的步骤3中的干燥为在70℃下干燥10h。
7.根据权利要求1所述的微波水热法合成碳掺杂BiVO4光催化剂的方法，其特征在于：步骤2中C6H12O6：Bi(NO3)3·5H2O＝0.05:1或C6H12O6：Bi(NO3)3·5H2O＝0.15:1。
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| PB01 | Publication | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |