CN103774229A - 一种钒酸铋枝晶的合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料制备领域，公开了一种钒酸铋枝晶的合成方法，在室温下，称量Bi(NO3)3·5H2O和钒盐固体置于烧杯中，向其中逐滴加入硝酸溶液，使体系分散均匀。将饱和碳酸钠溶液在磁力搅拌作用下缓慢滴加到上述溶液中，滴加的同时出现黄色沉淀，调节pH值为2-5，再搅拌30min。将上述黄色悬浊液置于油浴中，加热升温至60-90℃，待反应结束后冷却至室温，离心分离出的固体样品依次经去离子水和无水乙醇清洗5次以上，干燥，即可得到单斜白钨矿结构的钒酸铋枝晶。此方法工艺简单，操作安全，不需要使用任何表面活性剂，反应易控制，制备得到的钒酸铋枝晶在光催化、电化学、颜料等领域具有广泛的应用前景。

Description

一种钒酸铋枝晶的合成方法
技术领域
本发明属于材料制备领域，尤其涉及了一种钒酸铋枝晶的合成方法。
背景技术
钒酸铋是一种具有可见光响应能力的新型半导体材料，因其良好的物理化学性质，在光催化剂、铁弹材料、离子导体、气敏材料、锂离子电池正极材料及颜料等领域有着广泛的应用前景。单斜结构的钒酸铋因铋离子6s 2孤对电子所导致的Bi-O十二面体扭曲，使其在紫外-可见光区具有良好的光催化活性和优异的光学性质。近20年来，因环境治理的迫切需要，光催化剂开发及应用研究已成为备受关注的技术领域之一。为此，单斜钒酸铋的合成与性质研究也日益受到关注。
迄今为止，钒酸铋微纳材料的合成已倍受关注，如钒酸铋纳米片、纳米管、纳米线、微米管和膜材料等，均已得到合成，采用的方法主要是水热法。虽然文献已在钒酸铋物相及形貌控制方面取得显著进展，但在形貌的有效控制及生长习性与产物结构关系等方面仍存在不足，因此开展钒酸铋微纳米材料的合成研究仍非常重要。
本发明旨在研究一种钒酸铋枝晶的合成方法，其制备过程工艺简单、易控制，不需要使用任何表面活性剂，特殊的枝晶结构对其催化活性的提高具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种工艺简单、易控制，不需要使用任何表面活性剂，能够提高光催化效率的钒酸铋枝晶的合成方法。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
一种钒酸铋枝晶的合成方法，包括以下步骤：
步骤a：在室温下，取Bi(NO3)3·5H2O和钒盐固体，向其中逐滴加入硝酸溶液，充分搅拌直至固体完全溶解，再超声10 min，进一步使体系分散均匀；
步骤b：将饱和碳酸钠溶液在磁力搅拌作用下，缓慢滴加到步骤a的溶液中，滴加的同时出现黄色沉淀，继续滴加直至悬浊液的pH值为2-5，再搅拌30 min；
步骤c：将步骤b中得到的黄色悬浊液置于油浴中，以5 ℃·min-1的加热速率升温至60-90 ℃，保持6 h；
步骤d：待步骤c反应结束后，自然冷却至室温，离心分离出的固体依次经去离子水和无水乙醇清洗5次以上，再将产物置于真空干燥箱中进行干燥，即可得到钒酸铋枝晶。
作为优选，所述的钒酸铋枝晶为单斜白钨矿结构，形貌为枝晶结构。
作为优选，所述的步骤a中Bi(NO3)3·5H2O和钒盐固体，Bi(NO3)3·5H2O和钒盐固体的物质的量之比为1:1。
作为优选，所述的步骤a中采用的硝酸溶液浓度为3mol·L-1。
作为优选，所述的步骤d中真空干燥箱中温度为50 ℃，干燥时间为10 h。
本发明利用上述方法制得的钒酸铋枝晶，具有优越的可见光光催化活性，经检测：在室温下，采用氙灯（250 W）模拟太阳光，光照20 min能使亚甲基蓝溶液（50 mg·L-1）的降解率达到98.5 %；在相同的实验条件下，降解R-型活性染料（如活性嫩黄R-4GLN、活性红R-2BF、活性深蓝R-2GLN、活性黑R-2BG，购买自浙江闰土股份有限公司），可使活性染料的光催化降解率达到96 %以上，重复使用10次，降解率仍能保持90 %。钒酸铋枝晶降解速度快，应用范围广，使其成为一种有效的可见光催化剂。
本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：
本发明方法工艺简单、操作安全，易控制，不需要使用任何表面活性剂，在光催化、电化学、颜料等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是按实施例1（a）、（b）和（c）所述方法制备的产物的X射线衍射图（XRD，Empyrean，荷兰帕纳科）；
图2是按实施例1所述方法制备的钒酸铋枝晶的扫描电子显微镜（SEM）照片（SEM，JEOL JSM-6360LV）；
图3是按实施例2所述方法制备的钒酸铋枝晶的扫描电子显微镜（SEM）照片（SEM，JEOL JSM-6360LV）；
图4是按实施例3所述方法制备的钒酸铋枝晶的扫描电子显微镜（SEM）照片（SEM，JEOL JSM-6360LV）。
具体实施方式
下面结合附图1至附图4与实施例对本发明作进一步详细描述：
实施例1
在室温下，准确称量1.0 mmol Bi(NO3)3·5H2O和1.0 mmol NaVO3固体置于烧杯中，向其中逐滴加入3 mol·L-1硝酸溶液，充分搅拌直至固体完全溶解，再超声10 min使体系分散均匀。然后，将配制好的饱和碳酸钠溶液在磁力搅拌作用下缓慢滴加到上述溶液中，滴加的同时出现黄色沉淀，继续滴加直至悬浊液的pH值为5，再搅拌30 min。将上述黄色悬浊液转移至圆底烧瓶中，并将圆底烧瓶置于油浴中，以5 ℃·min-1的加热速率升温至60 ℃，保持6 h。待反应结束后冷却至室温，离心分离出的固体样品依次经去离子水和无水乙醇清洗5次以上，再将产物置于真空干燥箱中50 ℃干燥10 h，即可得到产物。所得样品的XRD表征见图1（a），结果表明产物为单斜白钨矿结构的钒酸铋。取微量上述制备的产品用无水乙醇分散得悬浊液，将此悬浊液滴在扫描电子显微镜的样品台上，自然晾干，再离子溅射镀上一层约5 nm的金属铂膜后，即可进行扫描电子显微镜（SEM）的观察（图2）。通过表征可知，产物为直径约300 nm的一维纳米棒组装的尺寸约2 μm枝晶结构，且纳米棒相互交织在一起。
实施例2
在室温下，准确称量1.0 mmol Bi(NO3)3·5H2O和1.0 mmol NH4VO3固体置于烧杯中，向其中逐滴加入3 mol·L-1硝酸溶液，充分搅拌直至固体完全溶解，再超声10 min使体系分散均匀。然后，将配制好的饱和碳酸钠溶液在磁力搅拌作用下缓慢滴加到上述溶液中，滴加的同时出现黄色沉淀，继续滴加直至悬浊液的pH值为5，再搅拌30 min。将上述黄色悬浊液转移至圆底烧瓶中，并将圆底烧瓶置于油浴中，以5 ℃·min-1的加热速率升温至90 ℃，保持6 h。待反应结束后冷却至室温，离心分离出的固体样品依次经去离子水和无水乙醇清洗5次以上，再将产物置于真空干燥箱中50 ℃干燥10 h，即可得到单斜白钨矿结构的钒酸铋枝晶。所得样品的XRD表征见图1（b），结果表明产物为单斜白钨矿结构的钒酸铋。取微量上述制备的产品用无水乙醇分散得悬浊液，将此悬浊液滴在扫描电子显微镜的样品台上，自然晾干，再离子溅射镀上一层约5 nm的金属铂膜后，即可进行扫描电子显微镜（SEM）的观察（图3）。通过表征可知，产物为直径约100 nm的纳米线组装的枝晶结构，且纳米线相互交织在一起。
实施例3
在室温下，准确称量1.0 mmol Bi(NO3)3·5H2O和1.0 mmol Na3VO4固体置于烧杯中，向其中逐滴加入3 mol·L-1硝酸溶液，充分搅拌直至固体完全溶解，再超声10 min使体系分散均匀。然后，将配制好的饱和碳酸钠溶液在磁力搅拌作用下缓慢滴加到上述溶液中，滴加的同时出现黄色沉淀，继续滴加直至悬浊液的pH值为2，再搅拌30 min。将上述黄色悬浊液转移至圆底烧瓶中，并将圆底烧瓶置于油浴中，以5 ℃·min-1的加热速率升温至60 ℃，保持6 h。待反应结束后冷却至室温，离心分离出的固体样品依次经去离子水和无水乙醇清洗5次以上，再将产物置于真空干燥箱中50 ℃干燥10 h，即可得到单斜白钨矿结构的钒酸铋枝晶。所得样品的XRD表征见图1（c），结果表明产物为单斜白钨矿结构的钒酸铋。取微量上述制备的产品用无水乙醇分散得悬浊液，将此悬浊液滴在扫描电子显微镜的样品台上，自然晾干，再离子溅射镀上一层约5 nm的金属铂膜后，即可进行扫描电子显微镜（SEM）观察（图4）。通过表征可知，产物为直径约500 nm的纳米棒组装的枝晶结构，且纳米棒相互交织在一起。
将实施例1-3制备的具有钒酸铋枝晶结构的微纳米材料应用于染料的可见光降解，在室温下，采用氙灯（250 W）模拟太阳光，光照20 min能使50 mg·g-1的亚甲基蓝溶液的降解率达到98.5%；在相同的实验条件下，降解R-型活性染料（如活性嫩黄R-4GLN、活性红R-2BF、活性深蓝R-2GLN、活性黑R-2BG，购买自浙江闰土股份有限公司），可使活性染料的光催化降解率达到96 %以上，重复使用10次，降解率仍能保持90 %，表现出优越的可见光光催化活性。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种钒酸铋枝晶的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a：在室温下，取Bi(NO3)3·5H2O和钒盐固体，向其中逐滴加入硝酸溶液，充分搅拌直至固体完全溶解，再超声10 min，进一步使体系分散均匀；
步骤b：将饱和碳酸钠溶液在磁力搅拌作用下，缓慢滴加到步骤a的溶液中，滴加的同时出现黄色沉淀，继续滴加直至悬浊液的pH值为2-5，再搅拌30 min；
步骤c：将步骤b中得到的黄色悬浊液置于油浴中，以5 ℃·min-1的加热速率升温至60-90 ℃，保持6 h；
步骤d：待步骤c反应结束后，自然冷却至室温，离心分离出的固体依次经去离子水和无水乙醇清洗5次以上，再将产物置于真空干燥箱中进行干燥，即可得到钒酸铋枝晶。
2.根据权利要求1所述的钒酸铋枝晶的合成方法，其特征在于：所述的钒酸铋枝晶为单斜白钨矿结构，形貌为枝晶结构。
3.根据权利要求1所述的钒酸铋枝晶的合成方法，其特征在于：所述的步骤a中Bi(NO3)3·5H2O和钒盐固体，Bi(NO3)3·5H2O和钒盐固体的物质的量之比为1:1。
4.根据权利要求1所述的钒酸铋枝晶的合成方法，其特征在于：所述的步骤a中采用的硝酸溶液浓度为3mol·L-1。
5.根据权利要求1所述的钒酸铋枝晶的合成方法，其特征在于：所述的步骤d中真空干燥箱中温度为50 ℃，干燥时间为10 h。
6.根据权利要求1-5任一所述方法制得的钒酸铋枝晶，其特征在于：所述的钒酸铋枝晶应用于染料的可见光降解。
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