CN104495922B - 一种钇酸铋纳米棒及其制备方法和用途 - Google Patents

一种钇酸铋纳米棒及其制备方法和用途 Download PDF

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本发明属于纳米材料合成技术领域，特指涉及具一种钇酸铋纳米棒及其制备方法和用途，本发明采用水热合成法制备形貌均一的钇酸铋纳米棒，其技术方案是首先用Bi(NO3)3·5H2O（硝酸铋）和Y(NO3)3∙6H2O（硝酸钇）混合于硝酸中搅拌均匀后，用NH4∙H2O调节pH值，水热制得钇酸铋纳米棒前驱液；再将前驱液经过高温煅烧得钇酸铋纳米棒。本发明利用简单的水热合成方法合成钇酸铋纳米棒光催化剂，其形貌为二维纳米棒，作为一种新型光催化材料，该材料具有化学稳定性，无毒等优点。

Description

一种钇酸铋纳米棒及其制备方法和用途
技术领域
本发明属于纳米材料合成技术领域，特指涉及具一种钇酸铋纳米棒及其制备方法和用途，该纳米棒可用于可见光降解抗生素领域。
背景技术
环境污染能源枯竭使得作为绿色无污染可循环能源的太阳能成为了近年来研究热点。大多数光催化半导体材料可以在UV光对有机物降解，为了使得光催化剂能更充分的利用光谱国内外的学者做了很多研究。钇酸铋的能带为2.14 EV，它是一种对可见光有响应的光催化剂。研究者发现一般反应中钇很难进入氧化铋的晶格中，只有用固相法合成了钇酸铋，但是固相法的温度很高对形貌影响很大，因而由固相法合成的钇酸铋形貌都是很不好。光催化剂反应主要是发生在光催化的表面，而一个拥有良好形貌和小尺寸的无机纳米材料比大无形的纳米材料展现了更好的光催化活性。水热法是提供了一种温和的晶体生长环境，而且它是一种绿色环保的方法。所以探求水热法生成钇酸铋是十分必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺简单，绿色环保的水热法制备钇酸铋纳米棒的方法。
本发明采用水热合成法制备形貌均一的钇酸铋纳米棒，其技术方案是首先用Bi(NO3)3·5H2O（硝酸铋）和 Y(NO3)3∙6H2O（硝酸钇） 混合于硝酸中搅拌均匀后，用NH4∙H2O调节pH值，水热制得钇酸铋纳米棒前驱液；再将前驱液经过高温煅烧得钇酸铋纳米棒。
一种钇酸铋纳米棒的制备方法，是按照下述步骤进行的：
（1）称取硝酸铋和硝酸钇溶于硝酸中得到混合溶液，所述硝酸铋和硝酸钇的摩尔比为1:1。
（2）将步骤1中的混合溶液超声搅拌，得到澄清透明液体。
（3）将步骤2获得的液体转移至聚四氟乙烯内衬的反应釜中，用NH4∙H2O调节pH值至为8-10；加水至反应釜体积的80%。
（4）将步骤3中的反应釜在180ºC-260ºC的温度范围内，恒温反应12-48h得到沉淀物。
（5）将步骤4中获得的沉淀物通过水和乙醇交替洗涤，离心。
（6）将步骤5中离心后的产物真空干燥后进行高温煅烧，以除去杂质，从而获得纯相钇酸铋纳米棒。
步骤（1）所述硝酸的浓度为0.1mol/L。
步骤（2）中超声搅拌的时间为1h。
步骤（6）中真空干燥的温度为60℃，干燥时间为12h。
步骤（6）中高温煅烧的温度为450℃-800℃，煅烧时间为2h，升温速率为2º/min。
本发明中加入氨水作为OH-的提供者，该方法的优势是利用氨水调节pH使得生成钇铋的络合物，钇可以进入铋的晶格中，多余氨水在高温下生成氮气和水，因而不会对反应产生影响；而pH值在一定的范围内才能生成钇酸铋，当加入KOH时候，无法生成棒状的钇酸铋，而是堆积的纳米片状物质；当pH小于8的时候，或者大于10的时候，生成物质为杂质，无法生长纯相的钇酸铋纳米棒；因为硝酸铋不溶解在水中，在水中可生成很多副产物，因而为了溶解硝酸铋使得其成为硝酸铋的溶液，在步骤1中加入0.1mol/L-1的稀硝酸。
本发明的另一个目的，是提供所制备的钇酸铋纳米棒作为可见光催化剂降解四环素的用途。
本发明所使用的硝酸钇，氨水，硝酸铋均为分析纯。
本发明利用简单的水热合成方法合成钇酸铋纳米棒光催化剂，其形貌为二维纳米棒，作为一种新型光催化材料，该材料具有化学稳定性，无毒等优点。
本发明工艺简单，重现性好，且所用原材料均为无机化合物，价廉易得，成本低，符合环境友好要求，反应时间较短，从而减少了能耗和反应成本，便于批量生产；同时由于钇酸铋纳米棒光催化剂具有较强的光催化降解能力，具有很高的实际应用能力。
附图说明
图1为钇酸铋纳米棒氧化铟X射线衍射分析图（XRD）。
图2为钇酸铋纳米棒扫描电镜图（SEM）。
图3为钇酸铋纳米棒在室温下的光降解图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明，以使本领域技术人员更好的理解本发明，但本发明并不局限于以下实施例。
实施例1：
（1）称取硝酸铋和硝酸钇溶于10ml、0.1mol/L-1稀硝酸中，所述硝酸铋和硝酸钇的质量分别为0.2425g,0.1916g。
（2）将步骤1中的混合溶液超声搅拌1h，得到澄清透明液体。
（3）将步骤2获得的液体转移至聚四氟乙烯内衬的反应釜中，用NH4∙H2O调节pH值至为8；加水至反应釜体积的80%。
（4）将步骤3中的反应釜在180ºC的温度范围内，恒温反应48h得到沉淀物。
（5）将步骤4中获得的沉淀物通过水和乙醇交替洗涤，离心。
（6）将步骤5中离心后的产物后进行高温煅烧，以除去杂质，从而获得纯相钇酸铋纳米棒，高温煅烧的温度为450℃，煅烧时间为2h，升温速率为2º/min。
实施例2:
（1）称取硝酸铋和硝酸钇溶于10ml、 0.1mol/L-1稀硝酸中，所述硝酸铋和硝酸钇的质量分别为0.2425g,0.1916g。
（2）将步骤1中的混合溶液超声搅拌1h，得到澄清透明液体。
（3）将步骤2获得的液体转移至聚四氟乙烯内衬的反应釜中，用NH4∙H2O调节pH值至为8.5；加水至反应釜体积的80%。
（4）将步骤3中的反应釜在200 ºC的温度范围内，恒温反应24h得到沉淀物。
（5）将步骤4中获得的沉淀物通过水和乙醇交替洗涤，离心。
（6）将步骤5中离心后的产物后进行高温煅烧，以除去杂质，从而获得纯相钇酸铋纳米棒，高温煅烧的温度为550℃，煅烧时间为2h，升温速率为2º/min。
实施例3:
（1）称取硝酸铋和硝酸钇溶于10ml、 0.1mol/L-1稀硝酸中，所述硝酸铋和硝酸钇的质量分别为0.2425g,0.1916g。
（2）将步骤1中的混合溶液超声搅拌1h，得到澄清透明液体。
（3）将步骤2获得的液体转移至聚四氟乙烯内衬的反应釜中，用NH4∙H2O调节pH值至为9；加水至反应釜体积的80%。
（4）将步骤3中的反应釜在240 ºC的温度范围内，恒温反应16h得到沉淀物。
（5）将步骤4中获得的沉淀物通过水和乙醇交替洗涤，离心。
（6）将步骤5中离心后的产物后进行高温煅烧，以除去杂质，从而获得纯相钇酸铋纳米棒，高温煅烧的温度为650℃，煅烧时间为2h，升温速率为2º/min。
实施例4:
（1）称取硝酸铋和硝酸钇溶于10ml 0.1mol/L-1稀硝酸中，所述硝酸铋和硝酸钇的质量分别为0.2425g,0.1916g.
（2）将步骤1中的混合溶液超声搅拌1h，得到澄清透明液体。
（3）将步骤2获得的液体转移至聚四氟乙烯内衬的反应釜中，用NH4∙H2O调节pH值至为10；加水至反应釜体积的80%。
（4）将步骤3中的反应釜在260 ºC的温度范围内，恒温反应12h得到沉淀物。
（5）将步骤4中获得的沉淀物通过水和乙醇交替洗涤，离心。
（6）将步骤5中离心后的产物后进行高温煅烧，以除去杂质，从而获得纯相钇酸铋纳米棒，高温煅烧的温度为750℃，煅烧时间为2h，升温速率为2º/min。
实施例5：
（1）称取硝酸铋和硝酸钇溶于10ml 、0.1mol/L-1稀硝酸中，所述硝酸铋和硝酸钇的质量分别为0.4851g,0.38306g.
（2）将步骤1中的混合溶液超声搅拌1h，得到澄清透明液体。
（3）将步骤2获得的液体转移至聚四氟乙烯内衬的反应釜中，用NH4∙H2O调节pH值至为8；加水至反应釜体积的80%。
（4）将步骤3中的反应釜在180 ºC的温度范围内，恒温反应48h得到沉淀物。
（5）将步骤4中获得的沉淀物通过水和乙醇交替洗涤，离心。
（6）将步骤5中离心后的产物后进行高温煅烧，以除去杂质，从而获得纯相钇酸铋纳米棒，高温煅烧的温度为800℃，煅烧时间为2h，升温速率为2º/min。
实施例6：
（1）称取硝酸铋和硝酸钇溶于10ml 0.1mol/L-1稀硝酸中，所述硝酸铋和硝酸钇的质量分别为0.2425g,0.1916g。
（2）将步骤1中的混合溶液超声搅拌1h，得到澄清透明液体。
（3）将步骤2获得的液体转移至聚四氟乙烯内衬的反应釜中，用NH4∙H2O调节pH值至为9.5；加水至反应釜体积的80%。
（4）将步骤3中的反应釜在200 ºC的温度范围内，恒温反应24h得到沉淀物。
（5）将步骤4中获得的沉淀物通过水和乙醇交替洗涤，离心。
（6）将步骤5中离心后的产物后进行高温煅烧，以除去杂质，从而获得纯相钇酸铋纳米棒，高温煅烧的温度为700℃，煅烧时间为2h，升温速率为2º/min。
实施例7：
（1）称取硝酸铋和硝酸钇溶于10ml 0.1mol/L-1稀硝酸中，所述硝酸铋和硝酸钇的质量分别为0.2425g,0.191g。
（2）将步骤1中的混合溶液超声搅拌1h，得到澄清透明液体。
（3）将步骤2获得的液体转移至聚四氟乙烯内衬的反应釜中，用NH4∙H2O调节pH值至为8.8；加水至反应釜体积的80%。
（4）将步骤3中的反应釜在220 ºC的温度范围内，恒温反应20h得到沉淀物。
（5）将步骤4中获得的沉淀物通过水和乙醇交替洗涤，离心。
（6）将步骤5中离心后的产物后进行高温煅烧，以除去杂质，从而获得纯相钇酸铋纳米棒，高温煅烧的温度为600℃，煅烧时间为2h，升温速率为2º/min。
实施例8：
（1）称取硝酸铋和硝酸钇溶于10ml 0.1mol/L-1稀硝酸中，所述硝酸铋和硝酸钇的质量分别为0.2425g,0.1916g.
（2）将步骤1中的混合溶液超声搅拌1h，得到澄清透明液体。
（3）将步骤2获得的液体转移至聚四氟乙烯内衬的反应釜中，用NH4∙H2O调节pH值至为9.8；加水至反应釜体积的80%。
（4）将步骤3中的反应釜在180 ºC的温度范围内，恒温反应48h得到沉淀物。
（5）将步骤4中获得的沉淀物通过水和乙醇交替洗涤，离心。
（6）将步骤5中离心后的产物后进行高温煅烧，以除去杂质，从而获得纯相钇酸铋纳米棒，高温煅烧的温度为550℃，煅烧时间为2h，升温速率为2º/min。
实施例9：
（1）称取硝酸铋和硝酸钇溶于10ml 0.1mol/L-1稀硝酸中，所述硝酸铋和硝酸钇的质量分别为0.2425g,0.1916g。
（2）将步骤1中的混合溶液超声搅拌1h，得到澄清透明液体。
（3）将步骤2获得的液体转移至聚四氟乙烯内衬的反应釜中，用NH4∙H2O调节pH值至为9.5；加水至反应釜体积的80%。
（4）将步骤3中的反应釜在200 ºC的温度范围内，恒温反应26h得到沉淀物。
（5）将步骤4中获得的沉淀物通过水和乙醇交替洗涤，离心。
（6）将步骤5中离心后的产物后进行高温煅烧，以除去杂质，从而获得纯相钇酸铋纳米棒，高温煅烧的温度为500℃，煅烧时间为2h，升温速率为2º/min。
实施例10 ：
（1）称取硝酸铋和硝酸钇溶于10ml 0.1mol/L-1稀硝酸中，所述硝酸铋和硝酸钇的质量分别为0.2425g,0.1916g。
（2）将步骤1中的混合溶液超声搅拌1h，得到澄清透明液体。
（3）将步骤2获得的液体转移至聚四氟乙烯内衬的反应釜中，用NH4∙H2O调节pH值至为8.5；加水至反应釜体积的80%。
（4）将步骤3中的反应釜在210 ºC的温度范围内，恒温反应24h得到沉淀物。
（5）将步骤4中获得的沉淀物通过水和乙醇交替洗涤，离心。
（6）将步骤5中离心后的产物后进行高温煅烧，以除去杂质，从而获得纯相钇酸铋纳米棒，高温煅烧的温度为450℃，煅烧时间为2h，升温速率为2º/min。
钇酸铋纳米棒在可见光照射下对四环素的降解实验步骤如下：
在GHX-2型光化学反应仪（购自扬州大学科技城科技有限公司）中进行，将浓度为10 mg/L四环素100 mL加入光催化仪器反应器中，然后加入水热合成的钇酸铋（BiYO3）光催化剂0.05 g，在暗室使用磁力搅拌器反应30分钟，达到反应吸附平衡后开始取样，然后开启曝气装置并开装上滤光片的150W氙灯光源，曝气通入空气目的是保持催化剂处于悬浮或飘浮状态，氙灯光照过程中每间隔30 min取样，离心分离后取上层清液在四环素最大吸收波长λmax=357nm处，使用TU-1800紫外可见分光光度计处测定样品吸光度，并通过公式：DC=[（A0-Ai）/A0]×100%算出光降解率，其中A0为达到吸附平衡时四环素溶液的吸光度，Ai为定时取样测定的四环素溶液的吸光度。
本发明所制备的钇酸铋纳米棒在可见光照射时对四环素的降解率在90min时达到51%。
附图1中各衍射峰的位置和相对强度均与JCPDS（粉末衍射标准联合委员会）卡片(27-1047)相吻合，且XRD图谱中没有其它衍射杂峰，说明本发明提出的水热条件下制备出的钇酸铋（BiYO3) 纳米棒的物相是纯的。
附图2中，场发射扫描电镜（SEM）测试表明，在室温下，由水热法制备的钇酸铋纳米棒长1-3 μm，直径为100-400 nm。
附图3中，光催化效果图显示本发明所制备的钇酸铋纳米棒在可见光照射时对四环素的降解率在90min时达到51%。

Claims (6)

1.一种钇酸铋纳米棒，其特征在于：所述钇酸铋纳米棒长1-3μm，直径为100-400nm。
2.如权利要求1所述的一种钇酸铋纳米棒的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)称取硝酸铋和硝酸钇溶于硝酸中得到混合溶液，所述硝酸铋和硝酸钇的摩尔比为1:1；
(2)将步骤(1)中的混合溶液超声搅拌，得到澄清透明液体；
(3)将步骤(2)获得的液体转移至聚四氟乙烯内衬的反应釜中，用NH3·H2O调节pH值至8-10；加水至反应釜体积的80％；
(4)将步骤(3)中的反应釜在180℃-260℃的温度范围内，恒温反应12-48h得到沉淀物；
(5)将步骤(4)中获得的沉淀物通过水和乙醇交替洗涤，离心；
(6)将步骤(5)中离心后的产物真空干燥后进行高温煅烧，以除去杂质，从而获得纯相钇酸铋纳米棒；高温煅烧的温度为450℃-800℃，煅烧时间为2h，升温速率为2°/min。
3.如权利要求2所述的一种钇酸铋纳米棒的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述硝酸的浓度为0.1mol/L。
4.如权利要求2所述的一种钇酸铋纳米棒的制备方法，其特征在于：步骤(2)中超声搅拌的时间为1h。
5.如权利要求2所述的一种钇酸铋纳米棒的制备方法，其特征在于：步骤(6)中真空干燥的温度为60℃，干燥时间为12h。
6.如权利要求1所述的一种钇酸铋纳米棒作为可见光催化剂降解四环素的用途。
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