CN104399502B - 含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂及其制备方法 - Google Patents

含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂及其制备方法。该制备方法包括如下步骤：将纯相碳酸氧铋进行真空热处理，即得到含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂。本发明提供的含有晶格缺陷的碳酸氧铋催化剂具有常温催化作用和显著的可见光催化作用，实验结果表明本发明提供的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂在常温可见光照射下对NO的去除率为40％～60％。本发明提供的制备方法，工艺简单，效果明显，在有效改善碳酸氧铋的光催化性能的同时使得碳酸氧铋具有常温催化性能。

Description

含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及催化技术领域，尤其涉及一种含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂及其制备方法。
背景技术
近年来，室内空气污染严重危害着人群健康，不仅引发严重的呼吸系统、心血管系统等疾病，甚至导致死亡。NOX是室内空气污染中典型污染物，虽然其浓度低，但是属于危害性大的酸性气体，并且通过空气传输、转化并参与光化学烟雾和PM2.5等二次污染物的形成，因此，去除室内低浓度的NOX是室内空气净化的重要环节。工业排放的高浓度NOX一般通过选择性催化还原(SCR)、化学吸收、生物过滤等方法去除，但这些方法不适合室内低浓度NOX的净化。传统的室内空气污染净化技术大多采用活性炭吸附，但活性炭只是将污染物从气相转移到固相，存在后处理和再生问题。作为绿色化学技术中之一的光催化成为解决上述问题有效途径。光催化可以直接利用太阳能中的可见光降解空气中的各种污染物，并能将低密度的太阳光能转化为高密度的化学能和电能，在净化环境污染物和开发清洁能源等方面具有巨大的应用潜力。
但是材料的光量子转换效率较低，光响应范围窄，太阳能(可见光)利用率低等问题的存在阻碍了光催化技术的应用。因此，研究者们展开了对光催化技术的改性。一方面使用各种技术手段对光催化剂进行改性，进而提高光催化性能，另一方面通过将光催化技术与各种技术(如超声波、电化学、等离子体等)进行耦合联用形成新型的高效光催化技术。常用的耦合联用技术是光催化与电催化、O3催化、Fenton、热催化、等离子体效应、生物过滤等技术耦合。在光催化体系中引入这些耦合的技术，可使污染物的去除率显著提高，但是，技术本身的费用也相应增加。常温催化去除污染物的常温催化剂，仅通过催化剂体系中不同价态原子之间的电子转移作用可以将污染物去除，从而不需要额外增加能量，在一定程度上降低了技术成本。虽然光催化和常温催化具有显著的技术优势，但是截至目前为止将光催化与常温催化耦合联用催化去除空气污染物，并且进一步开发具有常温催化和光催化双功能催化作用的催化剂还未见报道。
碳酸氧铋，(BiO)2CO3，正交晶体结构，晶胞参数属于Imm2空间群，由层状[Bi2O2]2+和[CO3]2-交替排列而成，属于一种新型光催化材料，受到广大研究者的重视，并且应用到空气净化处理方面。虽然纯相(BiO)2CO3的禁带宽度较大，仅对紫外光有较强的吸收，是一种紫外光催化剂，但是利用合适技术方案对其进行改性进而获得更好的催化性能成为目前研究的重点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂及其制备方法。通过对纯相碳酸氧铋进行真空热处理，获得含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂。由于所制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂中铋元素除具有Bi3+价态外，还具有强氧化性的Bi5+价态和强还原性的Bi0价态，使得其在常温无光照条件下具有催化活性。由于其晶体结构中存在晶格缺陷，该缺陷使得禁带宽度减小，将光响应从紫外光区拓展到可见光区；同时，Bi0具有等离子体效应，可促进光生电子与空穴的分离，从而使得该催化剂在可见光下表现出优异的催化性能。
本发明提供的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)选用纯相碳酸氧铋；
(2)将所述纯相碳酸氧铋进行真空热处理，以得到含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂；其中，真空热处理条件为：真空度2mmHg～100mmHg，热处理的温度150℃～500℃，热处理时间1h～40h。
优选的，上述的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂制备方法中，所述真空度为50mmHg。
优选的，上述的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂制备方法中，所述热处理温度为225℃～300℃。
优选的，上述的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂制备方法中，所述热处理时间为3h～10h。
本发明还提供了由上述制备方法制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂。
本发明提供的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂以纯相碳酸氧铋作为原料，采用真空热处理的方式，得到含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂。在真空热处理过程中，纯相碳酸氧铋中的部分Bi3+被还原成铋单质和氧化成Bi5+，同时伴随着晶格缺陷的产生。强氧化性的Bi5+和强还原性的铋单质可直接与污染物NO进行氧化还原反应而将其去除，故而本发明提供的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂表现出常温催化去除NO的性能，去除率为20％～40％，而纯相碳酸氧铋在常温无光照下对NO的催化去除率为0％，即纯相碳酸氧铋无常温催化性能。晶格缺陷使得碳酸氧铋的禁带宽度减小，将其光响应范围从紫外光区拓展到可见光区。另外，生成的铋单质具有等离子体效应，有利于光生电子和空穴的分离，所以真空热处理后的碳酸氧铋催化剂在可见光下具有优异的催化活性。本发明提供的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂在常温、可见光照射下对NO的去除率为40％～60％，而未处理的纯相碳酸氧铋在常温与可见光照射协同作用下对NO的去除率为仅为16.2％。因此，本发明提供的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂通过常温催化与光催化协同高效去除NO，提高了催化去除NO的效率，有利于其在环境和能源领域中的应用。
另外，本发明提供的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂可以循环利用及再生，并且本发明提供的制备方法条件可适用于其它含铋元素的宽带隙催化剂的改性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂的XRD图；
图2为本发明实施例2制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂的SEM图；
图3为本发明选用的用于制备含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂的纯相碳酸氧铋的SEM图；
图4为本发明实施例2制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂的ESR图；
图5为本发明实施例3制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂的XRD图谱；
图6为本发明实施例3制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂的UV-VisDRS图；
图7为本发明实施例4制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂的XPS图；
图8为本发明实施例4制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂的UV-VisDRS图；
图9为本发明实施例4制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂的催化活性图；
图10为本发明实施例8制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂的UV-VisDRS图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅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作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。
本发明对制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行表征，具体过程如下：
本发明对真空热处理后得到含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行XRD分析，证明实施例制备的碳酸氧铋催化剂具有(BiO)2CO3相和铋单质相；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行SEM扫描分析，证明实施例制备的碳酸氧铋催化剂形貌与纯相碳酸氧铋的形貌一致，真空热处理没有破坏纯相碳酸氧铋的形貌结构；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行对ESR测试，证明实施例制备的碳酸氧铋催化剂的晶格中存在缺陷；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行XPS分析，证明实施例制备的碳酸氧铋催化剂中的铋元素具有Bi5+，Bi3+和Bi0三种价态其元素价态；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行DRS分析，测试其光响应范围，证明实施例制备的碳酸氧铋催化剂在紫外可见区表现出非常强的吸收。
本发明对制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行催化性能测试，具体过程如下：
在相对湿度为60％，氧气含量为21％的环境中，NO流的流量为3.3L/min，NO的初始浓度为450ppb，将1g实施例得到的含有晶格缺陷的碳酸氧铋催化剂负载于玻璃圆盘上待用。①常温催化性能测试：将负载有催化剂的玻璃盘置于反应器中，避光，于常温下(25℃)催化去除NO。计算得到实施例制备的含有晶格缺陷的碳酸氧铋催化剂在常温无光照下对NO的去除率为20％～40％；②光催化与常温催化协同催化性能测试：将常温催化性能测试条件下的避光条件改为采用一只功率为150W的卤钨灯，并且用420nm的截止滤光片滤除紫外光得到可见光，同时在反应器周围安装四个小风扇，排除反应中温度的影响，其他条件不变。计算得到实施例制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂对NO的去除率为40％～60％。
实施例1
将1.5g纯相碳酸氧铋装于真空处理管中，于真空度为50mmHg，热处理温度为225℃的条件下热处理3h得到浅黑色的碳酸氧铋。热处理结束后，待其降至室温，将其装于样品管中待用。
本发明对真空热处理后得到的碳酸氧铋催化剂进行XRD分析，如图1所示，本实施例制备的碳酸氧铋催化剂具有(BiO)2CO3相和少量的铋单质相；本发明对本实施例制备的碳酸氧铋催化剂进行SEM扫描分析，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂的形貌与纯相碳酸氧铋的形貌一致，故而真空热处理没有破坏纯相碳酸氧铋的形貌结构；本发明对本实施例制备的碳酸氧铋催化剂进行对ESR测试，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂的晶格中存在缺陷。
本发明研究了真空热处理后得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂的催化性能，具体过程如下：在相对湿度为60％，氧气含量为21％的环境中，NO流的流量为3.3L/min，NO的初始浓度为450ppb，将1g实施例1得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂样品负载于玻璃圆盘上待用。①常温催化性能测试：将负载有催化剂的玻璃盘置于反应器中，避光，于常温下(25℃)催化去除NO。计算得到实施例1制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂在常温无光照下对NO的去除率为20.6％，结果如表1所示。②光催化与常温催化协同催化性能测试：将常温催化性能测试条件下的避光条件改为采用一只功率为150W的卤钨灯，并且用420nm的截止滤光片滤除紫外光得到可见光，同时在反应器周围安装四个小风扇，排除反应中温度的影响，其他条件不变。计算得到实施例1制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂对NO的去除率为42.6％，结果如表1所示。表1为本发明实施例与比较例中制备的碳酸氧铋催化剂的催化性能测试结果。结果表明，本实施例制备的碳酸氧铋催化剂具有常温催化活性，且在光照条件下表现出较高的催化活性。
实施例2
将1.5g纯相碳酸氧铋装于真空处理管中，于真空度为50mmHg，热处理温度为250℃的条件下热处理3h得到黑色的碳酸氧铋。热处理结束后，待其降至室温，将其装于样品管中待用。
本发明对真空热处理后得到的碳酸氧铋催化剂进行XRD分析，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂具有(BiO)2CO3相和铋单质相；本发明对本实施例制备的碳酸氧铋催化剂进行SEM扫描分析，如图2、图3所示，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂的形貌与纯相碳酸氧铋的形貌一致，故而真空热处理没有破坏纯相碳酸氧铋的形貌结构；本发明对本实施例制备的碳酸氧铋催化剂进行对ESR测试，如图4所示，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂的晶格中存在缺陷。
本发明研究了真空热处理后得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂的催化性能，具体过程如下：在相对湿度为60％，氧气含量为21％的环境中，NO流的流量为3.3L/min，NO的初始浓度为450ppb，将1g实施例2得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂样品负载于玻璃圆盘上待用。①常温催化性能测试：将负载有催化剂的玻璃盘置于反应器中，避光，于常温下(25℃)催化去除NO。计算得到实施例2制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂在常温无光照下对NO的催化去除率为28.8％，结果如表1所示。②光催化与常温催化协同催化性能测试：将常温催化性能测试条件下的避光条件改为采用一只功率为150W的卤钨灯，并且用420nm的截止滤光片滤除紫外光得到可见光，同时在反应器周围安装四个小风扇，排除反应中温度的影响，其他条件不变。计算得到实施例2制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂对NO的去除率为52.3％，结果如表1所示。表1为本发明实施例与比较例中制备的碳酸氧铋催化剂的催化性能测试结果。结果表明，本实施例制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂具有常温催化活性，且在光照条件下表现出较高的催化活性。
实施例3
将1.5g纯相碳酸氧铋装于真空处理管中，于真空度为50mmHg，热处理温度为275℃的条件下热处理3h得到黑色的碳酸氧铋。热处理结束后，待其降至室温，将其装于样品管中待用。
本发明对真空热处理后得到的碳酸氧铋催化剂进行XRD分析，如图5所示，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂具有(BiO)2CO3相和铋单质相；本发明对本实施例制备的碳酸氧铋催化剂进行SEM扫描分析，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂的形貌与纯相碳酸氧铋的形貌一致，故而真空热处理没有破坏纯相碳酸氧铋的形貌结构；本发明对本实施例制备的碳酸氧铋催化剂进行对ESR测试，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂的晶格中存在缺陷；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行DRS分析，测试其光响应范围，如图6所示，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂在紫外可见区表现出非常强的吸收。
本发明研究了真空热处理后得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂的催化性能，具体过程如下：在相对湿度为60％，氧气含量为21％的环境中，NO流的流量为3.3L/min，NO的初始浓度为450ppb，将1g实施例3得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂样品负载于玻璃圆盘上待用。①常温催化性能测试：将负载有催化剂的玻璃盘置于反应器中，避光，于常温下(25℃)催化去除NO。计算得到实施例3制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂在常温无光照下对NO的催化去除率为38.3％，结果如表1所示。②光催化与常温催化协同催化性能测试：将常温催化性能测试条件下的避光条件改为采用一只功率为150W的卤钨灯，并且用420nm的截止滤光片滤除紫外光得到可见光，同时在反应器周围安装四个小风扇，排除反应中温度的影响，其他条件不变。计算得到实施例3制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂对NO的去除率为58.4％，结果如表1所示。表1为本发明实施例与比较例中制备的碳酸氧铋催化剂的催化性能测试结果。结果表明，本实施例制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂具有常温催化活性，且在光照条件下表现出优异的催化活性。
实施例4
将1.5g纯相碳酸氧铋装于真空处理管中，于真空度为50mmHg，热处理温度为300℃的条件下热处理3h得到深黑色的碳酸氧铋。热处理结束后，待其降至室温，将其装于样品管中待用。
本发明对真空热处理后得到含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行XRD分析，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂具有(BiO)2CO3相和大量的铋单质相；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行SEM扫描分析，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂形貌与纯相碳酸氧铋的形貌一致，真空热处理没有破坏纯相碳酸氧铋的形貌结构；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行对ESR测试，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂的晶格中存在缺陷；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行XPS分析，如图7所示，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂中的铋元素具有Bi5+，Bi3+和Bi0三种价态其元素价态；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行DRS分析，测试其光响应范围，如图8所示，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂在紫外可见区表现出非常强的吸收。
本发明研究了真空热处理后得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂的催化性能，具体过程如下：在相对湿度为60％，氧气含量为21％的环境中，NO流的流量为3.3L/min，NO的初始浓度为450ppb，将1g实施例4得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂样品负载于玻璃圆盘上待用。①常温催化性能测试：将负载有催化剂的玻璃盘置于反应器中，避光，于常温下(25℃)催化去除NO。计算得到实施例4制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂在常温无光照下对NO的催化去除率为33.1％，结果如表1所示。②光催化与常温催化协同催化性能测试：将常温催化性能测试条件下的避光条件改为采用一只功率为150W的卤钨灯，并且用420nm的截止滤光片滤除紫外光得到可见光，同时在反应器周围安装四个小风扇，排除反应中温度的影响，其他条件不变。计算得到实施例4制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂对NO的去除率为55.7％，结果如表1所示。表1为本发明实施例与比较例中制备的碳酸氧铋催化剂的催化性能测试结果。本实施例得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂的催化活性如图9所示，结果表明，本实施例制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂具有良好的常温催化活性，且在光照条件下表现出优异的催化活性。
实施例5
将1.5g纯相碳酸氧铋装于真空处理管中，于真空度为50mmHg，热处理温度为275℃的条件下热处理5h得到黑色的碳酸氧铋。热处理结束后，待其降至室温，将其装于样品管中待用。
本发明对真空热处理后得到含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行XRD分析，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂具有(BiO)2CO3相和铋单质相；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行SEM扫描分析，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂形貌与纯相碳酸氧铋的形貌一致，真空热处理没有破坏纯相碳酸氧铋的形貌结构；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行对ESR测试，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂的晶格中存在缺陷；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行XPS分析，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂中的铋元素具有Bi5+，Bi3+和Bi0三种价态其元素价态；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行DRS分析，测试其光响应范围，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂在紫外可见区表现出非常强的吸收。
本发明研究了真空热处理后得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂的催化性能，具体过程如下：在相对湿度为60％，氧气含量为21％的环境中，NO流的流量为3.3L/min，NO的初始浓度为450ppb，将1g实施例5得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂样品负载于玻璃圆盘上待用。①常温催化性能测试：将负载有催化剂的玻璃盘置于反应器中，避光，于常温下(25℃)催化去除NO。计算得到实施例5制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂在常温无光照下对NO的催化去除率为39.4％，结果如表1所示。②光催化与常温催化协同催化性能测试：将常温催化性能测试条件下的避光条件改为采用一只功率为150W的卤钨灯，并且用420nm的截止滤光片滤除紫外光得到可见光，同时在反应器周围安装四个小风扇，排除反应中温度的影响，其他条件不变。计算得到实施例5制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂对NO的去除率为58.8％，结果如表1所示。表1为本发明实施例与比较例中制备的碳酸氧铋催化剂的催化性能测试结果。结果表明，本实施例制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂具有良好的常温催化活性，且在光照条件下表现出优异的催化活性。
实施例6
将1.5g纯相碳酸氧铋装于真空处理管中，于真空度为50mmHg，热处理温度为275℃的条件下热处理7h得到深黑色的碳酸氧铋。热处理结束后，待其降至室温，将其装于样品管中待用。
本发明对真空热处理后得到含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行XRD分析，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂具有(BiO)2CO3相和铋单质相；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行SEM扫描分析，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂形貌与纯相碳酸氧铋的形貌一致，真空热处理没有破坏纯相碳酸氧铋的形貌结构；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行对ESR测试，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂的晶格中存在缺陷；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行XPS分析，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂中的铋元素具有Bi5+，Bi3+和Bi0三种价态其元素价态；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行DRS分析，测试其光响应范围，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂在紫外可见区表现出非常强的吸收。
本发明研究了真空热处理后得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂的催化性能，具体过程如下：在相对湿度为60％，氧气含量为21％的环境中，NO流的流量为3.3L/min，NO的初始浓度为450ppb，将1g实施例6得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂样品负载于玻璃圆盘上待用。①常温催化性能测试：将负载有催化剂的玻璃盘置于反应器中，避光，于常温下(25℃)催化去除NO。计算得到实施例6制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂在常温无光照下对NO的催化去除率为38.6％，结果如表1所示。②光催化与常温催化协同催化性能测试：将常温催化性能测试条件下的避光条件改为采用一只功率为150W的卤钨灯，并且用420nm的截止滤光片滤除紫外光得到可见光，同时在反应器周围安装四个小风扇，排除反应中温度的影响，其他条件不变。计算得到实施例6制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂对NO的去除率为59.5％，结果如表1所示。表1为本发明实施例与比较例中制备的碳酸氧铋催化剂的催化性能测试结果。结果表明，本实施例制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂具有良好的常温催化活性，且在光照条件下表现出优异的催化活性。
实施例7
将1.5g纯相碳酸氧铋装于真空处理管中，于真空度为50mmHg，热处理温度为275℃的条件下热处理10h得到深黑色的碳酸氧铋。热处理结束后，待其降至室温，将其装于样品管中待用。
本发明对真空热处理后得到含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行XRD分析，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂具有(BiO)2CO3相和大量的铋单质相；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行SEM扫描分析，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂形貌与纯相碳酸氧铋的形貌一致，真空热处理没有破坏纯相碳酸氧铋的形貌结构；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行对ESR测试，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂的晶格中存在缺陷；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行XPS分析，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂中的铋元素具有Bi5+，Bi3+和Bi0三种价态其元素价态；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行DRS分析，测试其光响应范围，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂在紫外可见区表现出非常强的吸收。
本发明研究了真空热处理后得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂的催化性能，具体过程如下：在相对湿度为60％，氧气含量为21％的环境中，NO流的流量为3.3L/min，NO的初始浓度为450ppb，将1g实施例7得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂样品负载于玻璃圆盘上待用。①常温催化性能测试：将负载有催化剂的玻璃盘置于反应器中，避光，于常温下(25℃)催化去除NO。计算得到实施例7制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂在常温无光照下对NO的催化去除率为39.1％，结果如表1所示。②光催化与常温催化协同催化性能测试：将常温催化性能测试条件下的避光条件改为采用一只功率为150W的卤钨灯，并且用420nm的截止滤光片滤除紫外光得到可见光，同时在反应器周围安装四个小风扇，排除反应中温度的影响，其他条件不变。计算得到实施例7制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂对NO的去除率为59.1％，结果如表1所示。表1为本发明实施例与比较例中制备的碳酸氧铋催化剂的催化性能测试结果。结果表明，本实施例制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂具有良好的常温催化活性，且在光照条件下表现出优异的催化活性。
实施例8
将1.5g纯相碳酸氧铋装于真空处理管中，于真空度为50mmHg，热处理温度为250℃的条件下热处理10h得到黑色的碳酸氧铋。热处理结束后，待其降至室温，将其装于样品管中待用。
本发明对真空热处理后得到含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行XRD分析，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂具有(BiO)2CO3相和大量的铋单质相；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行SEM扫描分析，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂形貌与纯相碳酸氧铋的形貌一致，真空热处理没有破坏纯相碳酸氧铋的形貌结构；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行对ESR测试，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂的晶格中存在缺陷；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行XPS分析，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂中的铋元素具有Bi5+，Bi3+和Bi0三种价态其元素价态；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行DRS分析，测试其光响应范围，如图10所示，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂在紫外可见区表现出非常强的吸收。
本发明研究了真空热处理后得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂的催化性能，具体过程如下：在相对湿度为60％，氧气含量为21％的环境中，NO流的流量为3.3L/min，NO的初始浓度为450ppb，将1g实施例8得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂样品负载于玻璃圆盘上待用。①常温催化性能测试：将负载有催化剂的玻璃盘置于反应器中，避光，于常温下(25℃)催化去除NO。计算得到实施例8制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂在常温无光照下对NO的催化去除率为30.5％，结果如表1所示。②光催化与常温催化协同催化性能测试：将常温催化性能测试条件下的避光条件改为采用一只功率为150W的卤钨灯，并且用420nm的截止滤光片滤除紫外光得到可见光，同时在反应器周围安装四个小风扇，排除反应中温度的影响，其他条件不变。计算得到实施例8制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂对NO的去除率为53.5％，结果如表1所示。表1为本发明实施例与比较例中制备的碳酸氧铋催化剂的催化性能测试结果。结果表明，本实施例制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂具有良好的常温催化活性，且在光照条件下表现出优异的催化活性。
实施例9
将1.5g纯相碳酸氧铋装于真空处理管中，于真空度为50mmHg，热处理温度为300℃的条件下热处理10h得到深黑色的碳酸氧铋。热处理结束后，待其降至室温，将其装于样品管中待用。
本发明对真空热处理后得到含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行XRD分析，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂具有(BiO)2CO3相和大量的铋单质相；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行SEM扫描分析，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂形貌与纯相碳酸氧铋的形貌一致，真空热处理没有破坏纯相碳酸氧铋的形貌结构；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行对ESR测试，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂的晶格中存在缺陷；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行XPS分析，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂中的铋元素具有Bi5+，Bi3+和Bi0三种价态其元素价态；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行DRS分析，测试其光响应范围，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂在紫外可见区表现出非常强的吸收。
本发明研究了真空热处理后得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂的催化性能，具体过程如下：在相对湿度为60％，氧气含量为21％的环境中，NO流的流量为3.3L/min，NO的初始浓度为450ppb，将1g实施例9得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂样品负载于玻璃圆盘上待用。①常温催化性能测试：将负载有催化剂的玻璃盘置于反应器中，避光，于常温下(25℃)催化去除NO。计算得到实施例9制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂在常温无光照下对NO的催化去除率为35.7％，结果如表1所示。②光催化与常温催化协同催化性能测试：将常温催化性能测试条件下的避光条件改为采用一只功率为150W的卤钨灯，并且用420nm的截止滤光片滤除紫外光得到可见光，同时在反应器周围安装四个小风扇，排除反应中温度的影响，其他条件不变。计算得到实施例9制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂对NO的去除率为53.9％，结果如表1所示。表1为本发明实施例与比较例中制备的碳酸氧铋催化剂的催化性能测试结果。结果表明，本实施例制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂具有良好的常温催化活性，且在光照条件下表现出优异的催化活性。
实施例10
将1.5g纯相碳酸氧铋装于真空处理管中，于真空度为2mmHg，热处理温度为150℃的条件下热处理40h得到深黑色的碳酸氧铋。热处理结束后，待其降至室温，将其装于样品管中待用。
本发明对真空热处理后得到含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行XRD分析，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂具有(BiO)2CO3相和大量的铋单质相；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行SEM扫描分析，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂形貌与纯相碳酸氧铋的形貌一致，真空热处理没有破坏纯相碳酸氧铋的形貌结构；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行对ESR测试，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂的晶格中存在缺陷；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行XPS分析，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂中的铋元素具有Bi5+，Bi3+和Bi0三种价态其元素价态；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行DRS分析，测试其光响应范围，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂在紫外可见区表现出非常强的吸收。
本发明研究了真空热处理后得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂的催化性能，具体过程如下：在相对湿度为60％，氧气含量为21％的环境中，NO流的流量为3.3L/min，NO的初始浓度为450ppb，将1g实施例10得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂样品负载于玻璃圆盘上待用。①常温催化性能测试：将负载有催化剂的玻璃盘置于反应器中，避光，于常温下(25℃)催化去除NO。计算得到实施例10制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂在常温无光照下对NO的催化去除率为21.3％，结果如表1所示。②光催化与常温催化协同催化性能测试：将常温催化性能测试条件下的避光条件改为采用一只功率为150W的卤钨灯，并且用420nm的截止滤光片滤除紫外光得到可见光，同时在反应器周围安装四个小风扇，排除反应中温度的影响，其他条件不变。计算得到实施例10制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂对NO的去除率为43.4％，结果如表1所示。表1为本发明实施例与比较例中制备的碳酸氧铋催化剂的催化性能测试结果。结果表明，本实施例制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂具有常温催化活性，且在光照条件下表现出良好的催化活性。
实施例11
将1.5g纯相碳酸氧铋装于真空处理管中，于真空度为25mmHg，热处理温度为175℃的条件下热处理30h得到深黑色的碳酸氧铋。热处理结束后，待其降至室温，将其装于样品管中待用。
本发明对真空热处理后得到含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行XRD分析，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂具有(BiO)2CO3相和大量的铋单质相；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行SEM扫描分析，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂形貌与纯相碳酸氧铋的形貌一致，真空热处理没有破坏纯相碳酸氧铋的形貌结构；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行对ESR测试，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂的晶格中存在缺陷；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行XPS分析，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂中的铋元素具有Bi5+，Bi3+和Bi0三种价态其元素价态；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行DRS分析，测试其光响应范围，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂在紫外可见区表现出非常强的吸收。
本发明研究了真空热处理后得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂的催化性能，具体过程如下：在相对湿度为60％，氧气含量为21％的环境中，NO流的流量为3.3L/min，NO的初始浓度为450ppb，将1g实施例11得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂样品负载于玻璃圆盘上待用。①常温催化性能测试：将负载有催化剂的玻璃盘置于反应器中，避光，于常温下(25℃)催化去除NO。计算得到实施例11制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂在常温无光照下对NO的催化去除率为24.8％，结果如表1所示。②光催化与常温催化协同催化性能测试：将常温催化性能测试条件下的避光条件改为采用一只功率为150W的卤钨灯，并且用420nm的截止滤光片滤除紫外光得到可见光，同时在反应器周围安装四个小风扇，排除反应中温度的影响，其他条件不变。计算得到实施例11制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂对NO的去除率为40.4％，结果如表1所示。表1为本发明实施例与比较例中制备的碳酸氧铋催化剂的催化性能测试结果。结果表明，本实施例制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂具有常温催化活性，且在光照条件下表现出良好的催化活性。
实施例12
将1.5g纯相碳酸氧铋装于真空处理管中，于真空度为75mmHg，热处理温度为400℃的条件下热处理1h得到深黑色的碳酸氧铋。热处理结束后，待其降至室温，将其装于样品管中待用。
本发明对真空热处理后得到含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行XRD分析，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂具有(BiO)2CO3相和大量的铋单质相；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行SEM扫描分析，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂形貌与纯相碳酸氧铋的形貌一致，真空热处理没有破坏纯相碳酸氧铋的形貌结构；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行对ESR测试，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂的晶格中存在缺陷；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行XPS分析，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂中的铋元素具有Bi5+，Bi3+和Bi0三种价态其元素价态；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行DRS分析，测试其光响应范围，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂在紫外可见区表现出非常强的吸收。
本发明研究了真空热处理后得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂的催化性能，具体过程如下：在相对湿度为60％，氧气含量为21％的环境中，NO流的流量为3.3L/min，NO的初始浓度为450ppb，将1g实施例12得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂样品负载于玻璃圆盘上待用。①常温催化性能测试：将负载有催化剂的玻璃盘置于反应器中，避光，于常温下(25℃)催化去除NO。计算得到实施例12制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂在常温无光照下对NO的催化去除率为31.3％，结果如表1所示。②光催化与常温催化协同催化性能测试：将常温催化性能测试条件下的避光条件改为采用一只功率为150W的卤钨灯，并且用420nm的截止滤光片滤除紫外光得到可见光，同时在反应器周围安装四个小风扇，排除反应中温度的影响，其他条件不变。计算得到实施例12制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂对NO的去除率为44.2％，结果如表1所示。表1为本发明实施例与比较例中制备的碳酸氧铋催化剂的催化性能测试结果。结果表明，本实施例制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂具有常温催化活性，且在光照条件下表现出良好的催化活性。
实施例13
将1.5g纯相碳酸氧铋装于真空处理管中，于真空度为100mmHg，热处理温度为500℃的条件下热处理20h得到深黑色的碳酸氧铋。热处理结束后，待其降至室温，将其装于样品管中待用。
本发明对真空热处理后得到含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行XRD分析，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂具有(BiO)2CO3相和大量的铋单质相；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行SEM扫描分析，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂形貌与纯相碳酸氧铋的形貌一致，真空热处理没有破坏纯相碳酸氧铋的形貌结构；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行对ESR测试，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂的晶格中存在缺陷；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行XPS分析，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂中的铋元素具有Bi5+，Bi3+和Bi0三种价态其元素价态；本发明对真空热处理得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂进行DRS分析，测试其光响应范围，结果表明本实施例制备的碳酸氧铋催化剂在紫外可见区表现出非常强的吸收。
本发明研究了真空热处理后得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂的催化性能，具体过程如下：在相对湿度为60％，氧气含量为21％的环境中，NO流的流量为3.3L/min，NO的初始浓度为450ppb，将1g实施例13得到的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂样品负载于玻璃圆盘上待用。①常温催化性能测试：将负载有催化剂的玻璃盘置于反应器中，避光，于常温下(25℃)催化去除NO。计算得到实施例13制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂在常温无光照下对NO的催化去除率为27.8％，结果如表1所示。②光催化与常温催化协同催化性能测试：将常温催化性能测试条件下的避光条件改为采用一只功率为150W的卤钨灯，并且用420nm的截止滤光片滤除紫外光得到可见光，同时在反应器周围安装四个小风扇，排除反应中温度的影响，其他条件不变。计算得到实施例13制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂对NO的去除率为41.6％，结果如表1所示。表1为本发明实施例与比较例中制备的碳酸氧铋催化剂的催化性能测试结果。结果表明，本实施例制备的含有晶格缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂具有常温催化活性，且在光照条件下表现出良好的催化活性。
比较例
本发明研究了纯相碳酸氧铋作为催化剂的催化性能，具体过程如下：在相对湿度为60％，氧气含量为21％的环境中，NO流的流量为3.3L/min，NO的初始浓度为450ppb，将1g比较例的纯相碳酸氧铋催化剂样品负载于玻璃圆盘上待用。①常温催化性能测试：将负载有催化剂的玻璃盘置于反应器中，避光，于常温下(25℃)催化去除NO。计算得到比较例的纯相碳酸氧铋催化剂在常温无光照下对NO的去除率为0％，结果如表1所示。②光催化与常温催化协同催化性能测试：将常温催化性能测试条件下的避光条件改为采用一只功率为150W的卤钨灯，并且用420nm的截止滤光片滤除紫外光得到可见光，同时在反应器周围安装四个小风扇，排除反应中温度的影响，其他条件不变。计算得到比较例的纯相碳酸氧铋催化剂对NO的去除率为16.2％。结果如表1所示。表1为本发明实施例与比较例中制备的碳酸氧铋催化剂的催化性能测试结果。结果表明比较例的纯相碳酸氧铋催化剂没有常温催化作用，且在光照下具有较差的催化活性。
表1本发明实施例与比较例中制备的碳酸氧铋催化剂的催化性能测试结果(①表示常温催化去除NO的去除率，②表示光催化与常温催化协同催化去除NO的去除率)。
由表1可以看出，经过真空热处理的含有晶格缺陷的碳酸氧铋催化剂在常温无光照条件下对NO表现出催化去除作用，且在光照条件下，去除率明显增强，显著高于纯相碳酸氧铋催化剂对NO的去除率，说明本发明提供的含有晶格缺陷的碳酸氧铋催化剂具有常温催化作用和光催化作用，且常温催化与光催化可协同高效去除污染物，故该发明提供的含缺陷的双功能碳酸氧铋催化剂具有优异的催化活性。

Claims (5)

1.一种含有晶格缺陷的碳酸氧铋催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)选用纯相碳酸氧铋；
(2)将所述纯相碳酸氧铋进行真空热处理，以得到含有晶格缺陷的碳酸氧铋催化剂；其中，真空热处理条件为：真空度2mmHg～100mmHg，热处理的温度150℃～500℃，热处理时间1h～40h。
2.根据权利要求1所述的含有晶格缺陷的碳酸氧铋催化剂制备方法，其特征在于，所述真空度为50mmHg。
3.根据权利要求1所述的含有晶格缺陷的碳酸氧铋催化剂制备方法，其特征在于，所述热处理温度为225℃～300℃。
4.据权利要求1所述的含有晶格缺陷的碳酸氧铋催化剂制备方法，其特征在于，所述热处理时间为3h～10h。
5.一种含有晶格缺陷的碳酸氧铋催化剂，其特征在于，该催化剂是由权利要求1-4中任一所述制备方法制备。
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