CN103464136B - 一种Y/BiVO4复合光催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
一种Y/BiVO4复合光催化剂及其制备方法和应用，其主要成分为BiVO4，为四方锆石相结构，且BiVO4的晶格中含有Y3+。分别将五水硝酸铋和偏钒酸铵溶解于水中配成铋盐溶液和钒盐溶液，按Bi与V的摩尔比为1:1将钒盐溶液加入铋盐溶液中得到混合液，调节混合液的pH值为8，再向其中加入六水硝酸钇，Y与Bi的摩尔比为(2.04～13.64):100，用微波水热法以300W的功率在180℃保温40min制备出Y/BiVO4复合光催化剂。本发明一步合成了Y/BiVO复合光催化剂，其流程简易，操作简单，反应条件温和，合成的Y/BiVO复合光催化剂具有高的光催化活性，能够用于降解有机物。
Description
技术领域
本发明属于功能材料领域，具体涉及一种Y/BiVO4复合光催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
目前，光催化技术具有两方面显著的特征：一方面，光催化技术是低温深度反应技术，光催化可在室温下将水中有机污染物完全氧化成无毒的CO2和H2O等无害产物；另一方面，光催化技术可利用太阳光作为光源来活化光催化剂，驱动氧化-还原反应，达到净化污染物的目的。
因单一化合物光催化剂引发化学反应时需要近紫外光活化，仅能利用4%左右的太阳光，并且往往具有光生载流子的复合几率高、光吸收波长范围狭窄等缺陷而影响半导体光催化剂的性质等，所以提高光催化剂的性质，主要是通过提高光生电子与空穴的分离，抑制其复合，扩大激发光的波长范围，以便提高半导体光催化剂对太阳光的利用率。
BiVO4是一种环境友好的半导体光催化材料，它有三种晶体结构：单斜白钨矿型、四方白钨矿型和四方锆石型，其中，用于研究光催化性能的BiVO4主要是四方锆石型和单斜白钨矿型的BiVO4。单斜相BiVO4禁带宽度较小（2.40eV），能吸收更多的可见光，并且其晶格中Bi-O键发生了畸变，这种畸变提高了光生电子和空穴的分离效率，进而在一定程度上提高了光催化性能，所以在BiVO4的三种晶型里，单斜相BiVO4的可见光催化活性最高，这使其成为人们研究的焦点之一，而四方相BiVO4在可见光下几乎没有光催化效果，很少被研究。但是，由于光生电子和空穴的分离效率较低，纯相的单斜白钨矿型结构BiVO4的 光催化效果并不理想。掺杂可改善BiVO4的光催化反应效率和选择性，目前对BiVO4进行掺杂改性的方法多为浸渍法，即在传统的固相反应法、化学共沉淀法、溶胶-凝胶法及水热法等制备出纯相BiVO4后，再选择适当的金属源采用浸渍的方法对其进行掺杂，该方法流程多，工艺复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Y/BiVO4复合光催化剂及其制备方法和应用，该方法操作简单，反应时间短，反应条件温和，且合成的Y/BiVO4复合光催化剂具有较高的光催化活性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种Y/BiVO4复合光催化剂，其主要成分为BiVO4，为四方锆石相结构，且BiVO4的晶格中含有Y3+，其中Y元素与Bi元素的摩尔比为(2.04～13.64):100。
其形貌为棒状。
一种Y/BiVO4复合光催化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将Bi(NO3)3·5H2O溶于水中，搅拌均匀，得到铋盐溶液；将NH4VO3溶于100℃的水中，加热搅拌均匀，得到钒盐溶液；
步骤2：按Bi与V的摩尔比为1:1将钒盐溶液加到铋盐溶液中，搅拌均匀，得到混合液;
步骤3：调节混合液的pH值为8，搅拌均匀；
步骤4：将Y(NO3)3·6H2O加入到调节了pH值后的混合液中，搅拌均匀，得前驱液，其中Y与Bi的摩尔比为(2.04～13.64):100；
步骤5：将前驱液加入微波水热反应釜中，将微波水热反应釜密封后置于微波辅助水热合成仪中，设定压力为1.1MPa，在300W的微波功率下，从室温升温至100℃，在100℃保温8min；然后从100℃升温至150℃，在150℃保温8min； 再从150℃升温至180℃，在180℃保温40min后结束反应；
步骤6：待反应结束后，冷却至室温，取出微波水热反应釜中的沉淀物，洗涤，干燥，得到Y/BiVO4复合光催化剂。
所述的铋盐溶液中Bi(NO3)3·5H2O的浓度为0.4mol/L；钒盐溶液中NH4VO3的浓度为0.4mol/L。
所述的步骤1中将Bi(NO3)3·5H2O溶于水中搅拌20min；将NH4VO3溶于100℃的水中，在90-100℃下加热搅拌20min；所述的步骤2中的搅拌均匀是在磁力搅拌器上搅拌15min。
所述的步骤3中用浓度为5mol/L的NaOH溶液调节混合液的pH值，NaOH溶液的滴加速度小于等于1mL/min。
所述的步骤3中的搅拌均匀是在磁力搅拌器上搅拌25min；所述的步骤4中的搅拌均匀是在磁力搅拌器上搅拌20min。
所述的步骤5中微波水热反应釜的填充比为55%。
所述的步骤6中的洗涤为用去离子水和无水乙醇洗涤沉淀物至中性；所述的干燥是在75℃下恒温干燥24h。
Y/BiVO4复合光催化剂在光催化降解有机物方面的应用。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明提供的Y/BiVO4复合光催化剂的制备方法，以五水硝酸铋（Bi(NO3)3·5H2O）为铋源，偏钒酸铵（NH4VO3）为钒源，制备BiVO4，再以六水硝酸钇（Y(NO3)3·6H2O）为钇源，对BiVO4进行Y3+掺杂，制备出Y/BiVO4复合光催化剂。本发明将Y3+引入BiVO4的晶格中，提高了纯相BiVO4光催化降解有机物的效率。本发明采用微波水热法快速合成了Y/BiVO4复合光催化剂，结合了微波加热与水热法的优点，可实现分子水平上的搅拌，加热速度快，加 热均匀，无温度梯度，无滞后效应，克服了水热容器加热不均匀的缺点，提高了工作效率，且其流程简易，操作简单，反应时间短，反应条件温和。
本发明提供的Y/BiVO4复合光催化剂为四方锆石相结构，其主要成分为BiVO4，且BiVO4的晶格中含有Y3+，具有较高的光催化活性，能够应用于光催化降解有机物方面，改善了纯相BiVO4的光催化效率，达到了对纯相BiVO4进行改性的目的，具有广阔的应用前景。
进一步的，本发明提供的Y/BiVO4复合光催化剂具有大量的细小短棒状和部分较粗的短棒状形貌。
附图说明
图1是本发明实施例4制备的Y/BiVO4复合光催化剂的FE-SEM图。
图2是本发明不同Y3+加入量下制备的Y/BiVO4复合光催化剂的XRD谱图，其中a为纯相BiVO4的XRD图谱，b～g分别为实施例1～实施例6制备的Y/BiVO4复合光催化剂的XRD图谱。
图3是本发明不同Y3+加入量下制备的Y/BiVO4复合光催化剂的降解罗丹明B的降解率-时间曲线，其中RhB为不加催化剂时罗丹明B自身的降解曲线；a为纯相BiVO4的降解曲线，b～g分别为实施例1～实施例6制备的Y/BiVO4复合光催化剂的降解曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
一种Y/BiVO4复合光催化剂，其主要成分为BiVO4，为四方锆石相结构，且BiVO4的晶格中含有Y3+，其中Y元素与Bi元素的摩尔比为2.04:100。
一种Y/BiVO4复合光催化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将Bi(NO3)3·5H2O溶于去离子水中，在磁力搅拌器上搅拌20min，得到Bi(NO3)3·5H2O浓度为0.4mol/L的铋盐溶液；将NH4VO3溶于100℃的去离子水中，在100℃下加热搅拌20min，得到NH4VO3浓度为0.4mol/L的钒盐溶液；
步骤2：按Bi与V的摩尔比为1:1将钒盐溶液缓慢滴加到铋盐溶液中，在磁力搅拌器上搅拌15min，得到混合液;
步骤3：以1mL/min的滴加速度向混合液中滴加浓度为5mol/L的NaOH溶液，调节混合液的pH为8，并在磁力搅拌器上搅拌25min；
步骤4：将Y(NO3)3·6H2O加入到调节了pH值后的混合液中，在磁力搅拌器上搅拌20min，配制成前驱液，其中Y与Bi的摩尔比为2.04:100；
步骤5：将前驱液加入微波水热反应釜中，控制微波水热反应釜的填充比为55%，然后将微波水热反应釜密封后置于微波水热合成仪中，选择微波控温模式，设定压力为1.1MPa，在300W的微波功率下，从室温升温至100℃，在100℃保温8min；然后从100℃升温至150℃，在150℃保温8min；再从150℃升温至180℃，在180℃保温40min后结束反应；
步骤6：待反应结束后，冷却至室温，取出微波水热反应釜中的沉淀物，用去离子水和无水乙醇洗涤至中性，再在75℃下恒温干燥24h，得到Y/BiVO4复合光催化剂。
实施例2：
一种Y/BiVO4复合光催化剂，其主要成分为BiVO4，为四方锆石相结构，且BiVO4的晶格中含有Y3+，其中Y元素与Bi元素的摩尔比为4.17:100。
一种Y/BiVO4复合光催化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将Bi(NO3)3·5H2O溶于去离子水中，在磁力搅拌器上搅拌20min，得到Bi(NO3)3·5H2O浓度为0.4mol/L的铋盐溶液；将NH4VO3溶于100℃的去离子水中，在90℃下加热搅拌20min，得到NH4VO3浓度为0.4mol/L的钒盐溶液；
步骤2：按Bi与V的摩尔比为1:1将钒盐溶液缓慢滴加到铋盐溶液中，在磁力搅拌器上搅拌15min，得到混合液;
步骤3：以0.5mL/min的滴加速度向混合液中滴加浓度为5mol/L的NaOH溶液，调节混合液的pH为8，并在磁力搅拌器上搅拌25min；
步骤4：将Y(NO3)3·6H2O加入到调节了pH值后的混合液中，在磁力搅拌器上搅拌20min，配制成前驱液，其中Y与Bi的摩尔比为4.17:100；
步骤5：将前驱液加入微波水热反应釜中，控制微波水热反应釜的填充比为55%，然后将微波水热反应釜密封后置于微波水热合成仪中，选择微波控温模式，设定压力为1.1MPa，在300W的微波功率下，从室温升温至100℃，在100℃保温8min；然后从100℃升温至150℃，在150℃保温8min；再从150℃升温至180℃，在180℃保温40min后结束反应；
步骤6：待反应结束后，冷却至室温，取出微波水热反应釜中的沉淀物，用去离子水和无水乙醇洗涤至中性，再在75℃下恒温干燥24h，得到Y/BiVO4复合光催化剂。
实施例3：
一种Y/BiVO4复合光催化剂，其主要成分为BiVO4，为四方锆石相结构，且BiVO4的晶格中含有Y3+，其中Y元素与Bi元素的摩尔比为6.38:100。
一种Y/BiVO4复合光催化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将Bi(NO3)3·5H2O溶于去离子水中，在磁力搅拌器上搅拌20min，得到Bi(NO3)3·5H2O浓度为0.4mol/L的铋盐溶液；将NH4VO3溶于100℃的去离 子水中，在95℃下加热搅拌20min，得到NH4VO3浓度为0.4mol/L的钒盐溶液；
步骤2：按Bi与V的摩尔比为1:1将钒盐溶液缓慢滴加到铋盐溶液中，在磁力搅拌器上搅拌15min，得到混合液;
步骤3：以0.8mL/min的滴加速度向混合液中滴加浓度为5mol/L的NaOH溶液，调节混合液的pH为8，并在磁力搅拌器上搅拌25min；
步骤4：将Y(NO3)3·6H2O加入到调节了pH值后的混合液中，在磁力搅拌器上搅拌20min，配制成前驱液，其中Y与Bi的摩尔比为6.38:100；
步骤5：将前驱液加入微波水热反应釜中，控制微波水热反应釜的填充比为55%，然后将微波水热反应釜密封后置于微波水热合成仪中，选择微波控温模式，设定压力为1.1MPa，在300W的微波功率下，从室温升温至100℃，在100℃保温8min；然后从100℃升温至150℃，在150℃保温8min；再从150℃升温至180℃，在180℃保温40min后结束反应；
步骤6：待反应结束后，冷却至室温，取出微波水热反应釜中的沉淀物，用去离子水和无水乙醇洗涤至中性，再在75℃下恒温干燥24h，得到Y/BiVO4复合光催化剂。
实施例4：
一种Y/BiVO4复合光催化剂，其主要成分为BiVO4，为四方锆石相结构，且BiVO4的晶格中含有Y3+，其中Y元素与Bi元素的摩尔比为8.70:100。
一种Y/BiVO4复合光催化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将Bi(NO3)3·5H2O溶于去离子水中，在磁力搅拌器上搅拌20min，得到Bi(NO3)3·5H2O浓度为0.4mol/L的铋盐溶液；将NH4VO3溶于100℃的去离子水中，在100℃下加热搅拌20min，得到NH4VO3浓度为0.4mol/L的钒盐溶液；
步骤2：按Bi与V的摩尔比为1:1将钒盐溶液缓慢滴加到铋盐溶液中，在磁力搅拌器上搅拌15min，得到混合液;
步骤3：以1mL/min的滴加速度向混合液中滴加浓度为5mol/L的NaOH溶液，调节混合液的pH为8，并在磁力搅拌器上搅拌25min；
步骤4：将Y(NO3)3·6H2O加入到调节了pH值后的混合液中，在磁力搅拌器上搅拌20min，配制成前驱液，其中Y与Bi的摩尔比为8.70:100；
步骤5：将前驱液加入微波水热反应釜中，控制微波水热反应釜的填充比为55%，然后将微波水热反应釜密封后置于微波水热合成仪中，选择微波控温模式，设定压力为1.1MPa，在300W的微波功率下，从室温升温至100℃，在100℃保温8min；然后从100℃升温至150℃，在150℃保温8min；再从150℃升温至180℃，在180℃保温40min后结束反应；
步骤6：待反应结束后，冷却至室温，取出微波水热反应釜中的沉淀物，用去离子水和无水乙醇洗涤至中性，再在75℃下恒温干燥24h，得到Y/BiVO4复合光催化剂。
图1是实施例4制备的Y/BiVO4复合光催化剂的FE-SEM图。从图中可看出晶体的形貌为大量的细小短棒状和部分较粗的短棒状。
实施例5：
一种Y/BiVO4复合光催化剂，其主要成分为BiVO4，为四方锆石相结构，且BiVO4的晶格中含有Y3+，其中Y元素与Bi元素的摩尔比为11.11:100。
一种Y/BiVO4复合光催化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将Bi(NO3)3·5H2O溶于去离子水中，在磁力搅拌器上搅拌20min，得到Bi(NO3)3·5H2O浓度为0.4mol/L的铋盐溶液；将NH4VO3溶于100℃的去离子水中，在98℃下加热搅拌20min，得到NH4VO3浓度为0.4mol/L的钒盐溶液；
步骤2：按Bi与V的摩尔比为1:1将钒盐溶液缓慢滴加到铋盐溶液中，在磁力搅拌器上搅拌15min，得到混合液;
步骤3：以0.3mL/min的滴加速度向混合液中滴加浓度为5mol/L的NaOH溶液，调节混合液的pH为8，并在磁力搅拌器上搅拌25min；
步骤4：将Y(NO3)3·6H2O加入到调节了pH值后的混合液中，在磁力搅拌器上搅拌20min，配制成前驱液，其中Y与Bi的摩尔比为11.11:100；
步骤5：将前驱液加入微波水热反应釜中，控制微波水热反应釜的填充比为55%，然后将微波水热反应釜密封后置于微波水热合成仪中，选择微波控温模式，设定压力为1.1MPa，在300W的微波功率下，从室温升温至100℃，在100℃保温8min；然后从100℃升温至150℃，在150℃保温8min；再从150℃升温至180℃，在180℃保温40min后结束反应；
步骤6：待反应结束后，冷却至室温，取出微波水热反应釜中的沉淀物，用去离子水和无水乙醇洗涤至中性，再在75℃下恒温干燥24h，得到Y/BiVO4复合光催化剂。
实施例6：
一种Y/BiVO4复合光催化剂，其主要成分为BiVO4，为四方锆石相结构，且BiVO4的晶格中含有Y3+，其中Y元素与Bi元素的摩尔比为13.64:100。
一种Y/BiVO4复合光催化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将Bi(NO3)3·5H2O溶于去离子水中，在磁力搅拌器上搅拌20min，得到Bi(NO3)3·5H2O浓度为0.4mol/L的铋盐溶液；将NH4VO3溶于100℃的去离子水中，在92℃下加热搅拌20min，得到NH4VO3浓度为0.4mol/L的钒盐溶液；
步骤2：按Bi与V的摩尔比为1:1将钒盐溶液缓慢滴加到铋盐溶液中，在磁力搅拌器上搅拌15min，得到混合液;
步骤3：以0.7mL/min的滴加速度向混合液中滴加浓度为5mol/L的NaOH溶液，调节混合液的pH为8，并在磁力搅拌器上搅拌25min；
步骤4：将Y(NO3)3·6H2O加入到调节了pH值后的混合液中，在磁力搅拌器上搅拌20min，配制成前驱液，其中Y与Bi的摩尔比为13.64:100；
步骤5：将前驱液加入微波水热反应釜中，控制微波水热反应釜的填充比为55%，然后将微波水热反应釜密封后置于微波水热合成仪中，选择微波控温模式，设定压力为1.1MPa，在300W的微波功率下，从室温升温至100℃，在100℃保温8min；然后从100℃升温至150℃，在150℃保温8min；再从150℃升温至180℃，在180℃保温40min后结束反应；
步骤6：待反应结束后，冷却至室温，取出微波水热反应釜中的沉淀物，用去离子水和无水乙醇洗涤至中性，再在75℃下恒温干燥24h，得到Y/BiVO4复合光催化剂。
图2是不同Y3+加入量下制备的Y/BiVO4复合光催化剂的XRD图谱，其中a为纯相BiVO4的XRD图谱，纯相BiVO4是按照本发明的制备方法，在步骤4中不加入Y(NO3)3·6H2O得到的；b～g分别为实施例1～实施例6制备的Y/BiVO4复合光催化剂的XRD图谱。图2中纵坐标的强度为相对强度，横坐标的2-Theta为衍射角度。从图中可以看出，纯相BiVO4所有衍射峰与PDF卡片(JCPDSNO.75-1866)吻合，说明其晶相为单斜白钨矿相，加入Y后的Y/BiVO4复合光催化剂的所有衍射峰均与PDF卡片(JCPDS NO.14-0133)吻合，说明其晶相皆为四方锆石相。
图3是不同Y3+加入量下制备的Y/BiVO4复合光催化剂的降解罗丹明B的降解率-时间曲线，其中RhB为不加催化剂时罗丹明B自身的降解曲线；a为纯相BiVO4的降解曲线，纯相BiVO4是按照本发明的制备方法，在步骤4中不加 入Y(NO3)3·6H2O得到的；b～g分别为实施例1～实施例6制备的Y/BiVO4复合光催化剂的降解曲线。图3中纵坐标的C/C0为某时刻罗丹明B降解后的浓度与其初始浓度的比值。从图中可以看出，除了实施例3和实施例5制备的Y/BiVO4复合光催化剂的降解效果比纯相BiVO4的效果差之外，其他实施例制备的Y/BiVO4复合光催化剂的降解效果都优于纯相BiVO4的降解效果，且实施例4制备的Y/BiVO4复合光催化剂在120min的光照射下对罗丹明B的降解率达到96.97%，而纯相BiVO4在120min光照射后对罗丹明B的降解率仅为37.26%。因此，实施例4制备的Y/BiVO4复合光催化剂比纯相BiVO4在120min光照射后的降解率提高了59.71%。因此本发明制备的Y/BiVO4复合光催化剂能够用于光催化降解有机物。
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Y/BiVO4复合光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将Bi(NO3)3·5H2O溶于水中，搅拌均匀，得到铋盐溶液，铋盐溶液中Bi(NO3)3·5H2O的浓度为0.4mol/L；将NH4VO3溶于100℃的水中，加热搅拌均匀，得到钒盐溶液，钒盐溶液中NH4VO3的浓度为0.4mol/L；
步骤2：按Bi与V的摩尔比为1:1将钒盐溶液加到铋盐溶液中，搅拌均匀，得到混合液；
步骤3：用浓度为5mol/L的NaOH溶液调节混合液的pH值为8，搅拌均匀；其中NaOH溶液的滴加速度小于等于1mL/min；
步骤4：将Y(NO3)3·6H2O加入到调节了pH值后的混合液中，搅拌均匀，得前驱液，其中Y与Bi的摩尔比为(2.04～13.64):100；
步骤5：将前驱液加入微波水热反应釜中，将微波水热反应釜密封后置于微波辅助水热合成仪中，设定压力为1.1MPa，在300W的微波功率下，从室温升温至100℃，在100℃保温8min；然后从100℃升温至150℃，在150℃保温8min；再从150℃升温至180℃，在180℃保温40min后结束反应；
步骤6：待反应结束后，冷却至室温，取出微波水热反应釜中的沉淀物，洗涤，干燥，得到Y/BiVO4复合光催化剂。
2.根据权利要求1所述的Y/BiVO4复合光催化剂的制备方法，其特征在于：所述的步骤1中将Bi(NO3)3·5H2O溶于水中搅拌20min；将NH4VO3溶于100℃的水中，在90-100℃下加热搅拌20min；所述的步骤2中的搅拌均匀是在磁力搅拌器上搅拌15min。
3.根据权利要求1所述的Y/BiVO4复合光催化剂的制备方法，其特征在于：所述的步骤3中的搅拌均匀是在磁力搅拌器上搅拌25min；所述的步骤4中的搅拌均匀是在磁力搅拌器上搅拌20min。
4.根据权利要求1所述的Y/BiVO4复合光催化剂的制备方法，其特征在于：所述的步骤5中微波水热反应釜的填充比为55％。
5.根据权利要求1所述的Y/BiVO4复合光催化剂的制备方法，其特征在于：所述的步骤6中的洗涤为用去离子水和无水乙醇洗涤沉淀物至中性；所述的干燥是在75℃下恒温干燥24h。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的Y/BiVO4复合光催化剂的制备方法制得的Y/BiVO4复合光催化剂，其特征在于：其形貌为棒状，其主要成分为BiVO4，为四方锆石相结构，且BiVO4的晶格中含有Y3+，其中Y元素与Bi元素的摩尔比为(2.04～13.64):100。
7.根据权利要求1-5中任意一项所述的Y/BiVO4复合光催化剂的制备方法制得的Y/BiVO4复合光催化剂在光催化降解有机物方面的应用。
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2013
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