CN103301834A - 一种近红外光催化剂及其制备和应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有近红外光催化降解污染物性能的钨酸铋光催化剂及其制备方法。其制备方法是将硝酸铋与钨酸钠溶于溶剂中在水热条件下反应制得光催化剂。采用本发明制备的光催化剂能够在近红外光下实现2小时甲基橙的光催化降解率达60%。本发明工艺简单，能够有效提高光催化反应对太阳光的利用率，可广泛应用于污水处理和污染空气处理。

Description

一种近红外光催化剂及其制备和应用方法

技术领域

本发明属于光催化材料领域，特别涉及一种具有近红外光催化降解污染物性能的钨酸铋光催化剂及其制备和应用方法。

背景技术

在环境污染日益严重的今天，半导体光催化材料，如二氧化钛、氧化锌、钨酸铋，作为有效的治理环境污染的先进材料引起世界各国的广泛关注。由于具有价格低廉，化学性质稳定，无毒无腐蚀等优点，二氧化钛成为研究广泛的高效光催化剂，但由于二氧化钛禁带宽度为3.2eV，光吸收仅仅限于紫外光区，而紫外光只占到太阳光总能量的5%，尽管经过各种结构设计的TiO2纳米结构具有很高的紫外光催化活性，但仍然难以高效利用太阳光。在太阳光谱中，可见光的能量占到48%，吸引人们对可见光催化剂方面投入了大量的精力，研究主要集中在寻找各种具有光催化活性的材料和对二氧化钛的改性方面，并取得了重要的研究结果。然而，在太阳光谱中，占总能量44%的近红外波段，一直以来没有合适的光催化剂对其实现有效利用。

钨酸铋是一种能被可见光激发的半导体材料，禁带宽度为2.8eV，无毒成本低，受到广泛的研究。然而迄今为止，对于钨酸铋近红外光催化降解污染物中的性能还未见报道。

发明内容

针对目前对近红外光催化材料研究不足，太阳光谱利用反位局限在紫外和可见光段，本发明提出了一种具有近红外光催化降解污染物性能的钨酸铋光催化剂及其制备方法。该催化剂在近红外光的作用下，能够有效降解有机污染物，具有很好的近红外光催化活性，从而拓宽了太阳光的利用范围。

本发明所述的具有近红外光催化降解污染物性能的钨酸铋光催化剂具有纳米片状结构，并且该片状结构具有100nm-200nm的宽度和10nm-20nm的厚度。

本发明还提供该光催化剂的制备方法，具体步骤如下：

将铋源与钨源充分溶解于溶剂中，强烈搅拌，使之形成均匀分散的悬浮液；将悬浮液加入到水热反应釜中，反应温度为100-200℃，水热处理10-20小时后，停止反应，过滤得到的沉淀物经洗涤和干燥后即得所述光催化剂；

优选地，所述溶剂为乙二醇，硝酸，硫酸或盐酸；

优选地，所述铋源为硝酸铋，和/或，所述钨源为钨酸钠；

优选地，所述铋源和钨源中铋和钨元素的摩尔比为2:1；

优选地，所述反应温度为160℃。

本发明还提供一种使用近红外光作为光源的光催化降解反应方法，其特征在于使用上述光催化剂，或者由上述任一种制备方法所制备的光催化剂，在近红外光照射条件下进行光催化降解反应；

优选地，所述近红外光由红外灯光源被滤波片滤掉波长处于200nm-780nm之间的光线后所剩余的光线提供；

优选地，所述光催化降解反应为有机污染物的光催化降解反应，特别是甲基橙的光催化降解反应。

本发明的钨酸铋光催化剂具有优异的近红外光催化性能，2小时近红外光催化降解甲基橙的降解率为60%，能迅速光催化降解有机污染物，具有广阔的应用前景；本发明提供的钨酸铋光催化剂的制备方法操作简单、易于推广。

附图说明

图1为本发明实施例2制备的钨酸铋纳米片的X-射线衍射（XRD）图谱。

图2为本发明实施例2制备的钨酸铋纳米片的透射电镜（TEM）图像。

图3为本发明实施例2制备的钨酸铋纳米片在近红外光下对甲基橙溶液的光催化降解率-时间的变化曲线。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前对钨酸铋光催化剂的研究基本都集中在紫外和可见光条件下的光催化反应上，而本发明则提供了一种能够在近红外光条件下实现光催化降解反应的催化剂，该催化剂具有钨酸铋的晶体结构，X-射线衍射（XRD）谱图与钨酸铋（Bi₂WO₆）的特征衍射谱图完全吻合；具有纳米片状结构，在透射电镜下观察每个纳米片的宽度在100nm-200nm之间，厚度在10nm-20nm之间；X-射线光电子能谱（XPS）实验显示，所述催化剂表面具有明显的氧缺陷。本发明人认为，大量氧缺陷的存在是本发明催化剂具有优异近红外光催化反应性能的主要原因。

本发明采用水热法制备所需钨酸铋光催化剂，并且通过制备过程中各参数的调整和配合使获得的产品具有近红外光催化降解的催化特性。具体步骤如下：

（1）将铋源与钨源充分溶解于溶剂中，搅拌使之形成均匀分散的悬浮液，其中使用的铋源和钨源一般为可溶性盐，例如硝酸铋和钨酸钠，所述的溶剂可以选自乙二醇、硝酸、硫酸或盐酸；

（2）将所述悬浮液加入到水热反应釜进行反应，优选反应温度为100-200℃，水热处理时间为10-20小时；悬浮液在水热反应釜中的填充度优选为80%（体积）；

（3）停止反应后，将过滤得到的沉淀物经洗涤和干燥即为所述光催化剂，其中洗涤步骤使用的洗液为去离子水和酒精。

使用由该方法获得的钨酸铋催化剂在近红外光的条件下催化有机污染物的降解反应，获得了很好的催化效果。其中所述的有机污染物优选甲基橙，而近红外光则由红外光源通过滤波片过滤掉200nm-780nm波长的光线后剩余的光线来提供。该光催化反应可以使用一般的石英反应器在搅拌的条件下来完成。

实施例1

将摩尔比2:1的硝酸铋与钨酸钠充分溶解于硝酸中，强烈搅拌，形成均匀的悬浮液；然后将悬浮液在水热反应釜中160℃的温度下进行水热处理20小时，停止反应后，采用过滤的方法得到沉淀产物，然后用去离子水和酒精洗涤，干燥后得到钨酸铋。将其投入到甲基橙溶液中，能够在近红外光照射的条件下明显催化甲基橙的降解。

实施例2

将摩尔比2:1的硝酸铋与钨酸钠充分溶解于乙二醇中，强烈搅拌，形成均匀的悬浮液；然后将悬浮液在水热反应釜中160℃的温度下进行水热处理20小时，停止反应后，采用过滤的方法得到沉淀产物，然后用去离子水和酒精洗涤，干燥后得到钨酸铋。

所得钨酸铋纳米片的XRD图如图1所示，其中钨酸铋为正交相晶体结构。图2为钨酸铋纳米片的TEM图，证明了钨酸铋为纳米片状结构，宽度100-200nm，厚度为10-20nm。图3为所得钨酸铋纳米片的光催化降解率-时间的变化曲线。结果表明，钨酸铋纳米片在近红外光下对甲基橙具有优异的光催化降解效果。

实施例3

将摩尔比2:1的硝酸铋与钨酸钠充分溶解于乙二醇中，强烈搅拌，形成均匀的悬浮液；然后将悬浮液在水热反应釜中100℃的温度下进行水热处理20小时，停止反应后，采用过滤的方法得到沉淀产物，然后用去离子水和酒精洗涤，干燥后得到钨酸铋。将其投入到甲基橙溶液中，能够在近红外光照射的条件下明显催化甲基橙的降解。

实施例4

将摩尔比2:1的硝酸铋与钨酸钠充分溶解于乙二醇中，强烈搅拌，形成均匀的悬浮液；然后将悬浮液在水热反应釜中200℃的温度下进行水热处理20小时，停止反应后，采用过滤的方法得到沉淀产物，然后用去离子水和酒精洗涤，干燥后得到钨酸铋。将其投入到甲基橙溶液中，能够在近红外光照射的条件下明显催化甲基橙的降解。

实施例5

将摩尔比2:1的硝酸铋与钨酸钠充分溶解于乙二醇中，强烈搅拌，形成均匀的悬浮液；然后将悬浮液在水热反应釜中160℃的温度下进行水热处理10小时，停止反应后，采用过滤的方法得到沉淀产物，然后用去离子水和酒精洗涤，干燥后得到钨酸铋。将其投入到甲基橙溶液中，能够在近红外光照射的条件下明显催化甲基橙的降解。

Claims (9)

1.一种具有近红外光催化特性的钨酸铋光催化剂，其特征在于：所述钨酸铋为纳米片状结构，所述纳米片状结构的宽度为100nm-200nm，厚度为10nm-20nm。

2.一种权利要求1所述钨酸铋光催化剂的制备方法，其中，包括如下步骤：

将铋源与钨源充分溶解于溶剂中，搅拌使之形成均匀分散的悬浮液；将所述悬浮液加入到水热反应釜中，反应温度为100-200℃，水热处理10-20小时后，停止反应，过滤得到的沉淀物经洗涤和干燥即得所述光催化剂。

3.如权利要求2所述的制备方法，其中，所述溶剂为乙二醇、硝酸、硫酸或盐酸。

4.如权利要求2或3所述的制备方法，其中，所述铋源为硝酸铋，和/或，所述钨源为钨酸钠。

5.如权利要求2-4任一项所述的制备方法，其中，所述铋源和钨源中铋和钨元素的摩尔比为2:1。

6.如权利要求2-5任一项所述的制备方法，其中，所述反应温度为160℃。

7.一种近红外光催化降解反应方法，其中，使用权利要求1所述的光催化剂或者由权利要求2-6任一项制备方法所制备的光催化剂，在近红外光照射条件下进行光催化降解反应。

8.如权利要求7所述的反应方法，其中，所述近红外光由红外灯光源被滤波片滤掉波长处于200nm-780nm之间的光线后所剩余的光线提供。

9.如权利要求7或8所述的反应方法，其特征在于：所述光催化降解反应为有机污染物的光催化降解反应。

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