CN104229881B - 一种碳酸氧铋微米花的制备方法及产品 - Google Patents

一种碳酸氧铋微米花的制备方法及产品 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳酸氧铋微米花的制备方法,将钛酸四丁酯、五水硝酸铋与水混合得到悬浮液,五水硝酸铋与钛酸四丁酯的摩尔比为11~13:8~10;将KOH与所述的悬浮液混合,再向悬浮液中滴加柠檬酸铵溶液得到前驱体溶液;所述前驱体溶液中KOH浓度为0.8~1.2mol/L,五水硝酸铋浓度为0.2~0.4mol/L,柠檬酸铵浓度为0.6~0.8mol/L;再将前驱体溶液在190~210℃下水热反应18~22h,经后处理得到所述的碳酸氧铋微米花。制备得到的碳酸氧铋微米花由二维纳米薄片交错排列而成,平均直径在5~15μm,比表面积较大。碳酸氧铋对有毒有机污染物的降解效果明显,在环境治理方面有着广阔的应用前景。

Description

一种碳酸氧铋微米花的制备方法及产品
技术领域
本发明涉及无机非金属材料的制备方法,尤其涉及一种碳酸氧铋微米花的制备方法及产品。
背景技术
近年来,以半导体氧化物为催化剂的多相光催化技术已成为一种理想的环境污染治理技术以及光照水解制氢等方面的应用得到了极为广泛的研究。其中,二氧化钛因其对化学和生物的惰性、高稳定性、无毒性和低成本等优点,被认为是最具有潜在应用价值的半导体光催化剂。但是二氧化钛的两个固有缺陷限制了它的实际应用:(1)TiO2的带隙较宽,只能被波长为小于386.5nm的紫外线激发;(2)TiO2中光激发产生的电子与空穴容易复合,导致其光量子效率极低,极大地影响其光催化活性。
多元复合金属氧化物因其结构和电子结构的多样性,有可能同时具备相应可见光激发的能带结构和高的光生载流子移动性,被作为潜在地高效光催化材料得到了广泛研究。半导体光催化已经被广泛应用到水分解和有毒污染物降解等方面,而铋系化合物材料由于其较高的光催化活性已经成为研究的一个热点。大多铋系氧化物材料属于层状Aurivillius型化合物,其结构特点为(Bi2O2)2+层与阴离子层交错排列。
碳酸氧铋,又称碱式碳酸铋,化学式为Bi2O2CO3,其结构也是由(Bi2O2)2+层与CO3 2-层交错排列而成。具有层状结构的Sillen层状Bi类复合氧化物Bi2O2CO3因其具有独特的电子结构、较强的可见光吸收能力以及对有多种机物较高的降解能力而受到研究者的广泛关注。
为了更好地利用碳酸氧铋的光催化性能降解性能,研究人员开发了多种形貌的碳酸氧铋光催化材料,如公开号为CN101817555B的中国专利文献公开了一种具有等级结构的碳酸氧铋微米花材料及其制备方法,将硝酸铋首先溶解在稀硝酸中,逐渐加入到过量的碳酸钠溶液中反应制得。但是该方法制备得到的碳酸氧铋微米花结晶度不高,花状结构较为杂乱,且形貌的可控性较差。
发明内容
本发明提供了一种水热法制备碳酸氧铋微米花的方法,通过对原料的用量及水热反应条件的精确调控,制备得到结晶度高、结构规则、均一且形貌可控性较强的碳酸氧铋微米花。
一种碳酸氧铋微米花的制备方法,包括以下步骤:
1)将钛酸四丁酯、五水硝酸铋与水混合得到悬浮液,五水硝酸铋与钛酸四丁酯的摩尔比为11~13:8~10;
2)将KOH与步骤1)得到的悬浮液混合,再向悬浮液中滴加柠檬酸铵溶液,得到前驱体溶液;
所述前驱体溶液中KOH的浓度为0.8~1.2mol/L,五水硝酸铋的浓度为0.2~0.4mol/L,柠檬酸铵的浓度为0.6~0.8mol/L;
3)步骤2)得到的前驱体溶液在190~210℃下水热反应18~22h,再经后处理得到所述的碳酸氧铋微米花。
本发明中的水热反应在以聚四氟乙烯内胆,不锈钢套件密闭的反应釜中进行,作为优选,将所述的前驱体溶液加入反应釜后,反应釜的填充度为30~80%。
为保证反应釜的填充度为30~80%,可向滴加完柠檬酸铵溶液的悬浮液中加入水,调节至所需体积,得到前驱体溶液。
作为优选,
所述前驱体溶液中KOH的浓度为1mol/L,五水硝酸铋的浓度为0.275~0.325mol/L,柠檬酸铵溶液的浓度为0.7~0.725mol/L。
步骤3)中,水热反应的后处理过程为:
将反应釜置于空气中自然冷却到室温,取出产物,过滤,依次用去离子水和乙醇清洗,60℃烘干。
本发明中采用的五水硝酸铋、钛酸四丁酯、氢氧化钾、柠檬酸铵等化学试剂的纯度均不低于分析纯。
一种根据所述的制备方法得到的碳酸氧铋微米花,所述碳酸氧铋微米花是由二维纳米薄片交错排列形成,其平均直径为5~15μm。
与现有技术相比,本发明具有如下优点:
本发明通过对原料的用量及水热反应条件的精确调控,发明制备工艺过程简单,易于控制,制备得到了由二维纳米薄片交错排列形成的碳酸氧铋微米花,其平均直径为5~15μm,结晶度高、结构稳定且比表面积较大。碳酸氧铋微米花对有毒有机污染物的降解效果明显,在环境治理方面有着广阔的应用前景。
附图说明
图1为实施例1制备的碳酸氧铋微米花的X射线衍射(XRD)图谱;
图2、图3为实施例1制备的碳酸氧铋微米花在不同放大倍数下的扫描电子显微镜(SEM)照片。
具体实施方式
以下结合实施例进一步说明本发明。
实施例1
1)称取8mmol钛酸四丁酯,将其滴加到去离子水中,控制钛酸四丁酯的浓度为1.0mol/L。
2)称取11mmol五水硝酸铋,将其加入步骤1)制得的悬浮液中,充分搅拌。
3)称取0.04mol氢氧化钾,加入步骤2)所制备的悬浮溶液中,搅拌至少30分钟。
4)称取28mmol柠檬酸铵,将其溶于到离子水,控制柠檬酸铵的浓度为2.8mol/L。
5)在搅拌状态下,将步骤4)所制备的溶液液逐滴加入到步骤3)所制备的悬浊液中,经过充分的搅拌和超声震荡分散。
6)将步骤5)所制备的悬浊液加入到反应釜内胆中。用去离子水调节其体积占反应釜内胆容积的4/5,得到反应前驱体悬浮液。此时,Bi/Ti摩尔比为11:8,Bi3+的摩尔浓度为0.275mol/L,柠檬酸铵的浓度为0.7mol/L,KOH的浓度为1mol/L。
7)将装有反应物料体的反应釜内胆密闭于反应釜中,在200℃下保温20小时进行水热处理。然后将反应釜置于空气中自然冷却到室温,取出反应物,过滤,依次用去离子水和乙醇清洗,60℃烘干,得到碳酸氧铋微米花。
实施例2
1)称取10mmol钛酸四丁酯,将其滴加到去离子水中,控制钛酸四丁酯的浓度为1.0mol/L。
2)称取13mmol五水硝酸铋,将其加入步骤1)制得的悬浮液中,充分搅拌。
3)称取0.04mol氢氧化钾,加入步骤2)所制备的悬浮溶液中,搅拌至少30分钟。
4)称取28mmol柠檬酸铵,将其溶于到离子水,控制柠檬酸铵的浓度为2.8mol/L。
5)在搅拌状态下,将步骤4)所制备的溶液液逐滴加入到步骤3)所制备的悬浊液中,经过充分的搅拌和超声震荡分散。
6)将步骤5)所制备的悬浊液加入到反应釜内胆中。用去离子水调节其体积占反应釜内胆容积的4/5,得到反应前驱体悬浮液。此时,反应前驱体悬浮液中,Bi/Ti摩尔比为13:10,Bi3+的摩尔浓度为0.325mol/L,柠檬酸铵的浓度为0.7mol/L,KOH的浓度为1mol/L。
7)将装有反应物料体的反应釜内胆密闭于反应釜中,在210℃下保温18小时进行水热处理。然后将反应釜置于空气中自然冷却到室温,取出反应物,过滤,依次用去离子水和乙醇清洗,60℃烘干,得到碳酸氧铋微米花。
实施例3
1)称取9mmol钛酸四丁酯,将其滴加到去离子水中,控制钛酸四丁酯的浓度为1.0mol/L。
2)称取12mmol五水硝酸铋,将其加入步骤1)制得的悬浮液中,充分搅拌。
3)称取0.04mol氢氧化钾,加入步骤2)所制备的悬浮溶液中,搅拌至少30分钟。
4)称取29mmol柠檬酸铵,将其溶于到离子水,控制柠檬酸铵的浓度为2.9mol/L。
5)在搅拌状态下,将步骤4)所制备的溶液液逐滴加入到步骤3)所制备的悬浊液中,经过充分的搅拌和超声震荡分散。
6)将步骤5)所制备的悬浊液加入到反应釜内胆中。用去离子水调节其体积占反应釜内胆容积的4/5,得到反应前驱体悬浮液。此时,Bi/Ti摩尔比为12:9,Bi3+的摩尔浓度为0.3mol/L,柠檬酸铵的浓度为0.725mol/L,KOH的浓度为1mol/L。
7)将装有反应物料体的反应釜内胆密闭于反应釜中,在200℃下保温20小时进行水热处理。然后将反应釜置于空气中自然冷却到室温,取出反应物,过滤,依次用去离子水和乙醇清洗,60℃烘干,得到碳酸氧铋微米花。

Claims (4)

1.一种碳酸氧铋微米花的制备方法,其特征在于,步骤如下:
1)将钛酸四丁酯、五水硝酸铋与水混合得到悬浮液,五水硝酸铋与钛酸四丁酯的摩尔比为11~13:8~10;
2)将KOH与步骤1)得到的悬浮液混合,再向悬浮液中滴加柠檬酸铵溶液,得到前驱体溶液;
所述前驱体溶液中KOH的浓度为1mol/L,五水硝酸铋的浓度为0.275~0.325mol/L,柠檬酸铵的浓度为0.7~0.725mol/L;
3)步骤2)得到的前驱体溶液在190~210℃下水热反应18~22h,再经后处理得到所述的碳酸氧铋微米花。
2.根据权利要求1所述的碳酸氧铋微米花的制备方法,其特征在于,所述的水热反应在反应釜中进行,反应釜内填充度为30~80%。
3.根据权利要求2所述的碳酸氧铋微米花的制备方法,其特征在于,步骤1)中,所述悬浮液中钛酸四丁酯的浓度为1mol/L。
4.根据权利要求3所述的碳酸氧铋微米花的制备方法,其特征在于,步骤2)中,所述柠檬酸铵溶液的浓度为2.7~2.9mol/L。
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