CN104667951A - 一种溴氧铋高光催化剂的制备及应用方法 - Google Patents

Abstract

一种溴氧铋高光催化剂的制备及应用方法，属于环境化工光催化水处理技术领域；其特征在于是将铋板和钛板打磨后用乙醇和丙酮清洗并干燥；将溴化钾、乙二胺四乙酸溶于水中，用5 mol?L^-1氢氧化钠溶液调节体系的pH值为8～9，得到电解质溶液；以铋板为阳极，钛板为阴极，将其置于电解质溶液中，在4V电压和磁力搅拌下反应0.5～1h，反应温度控制在25～25.5℃；两电极之间的距离为5cm；反应完成后，阳极表面形成了BiOBr薄膜，与此同时将阴极钛板上生成的黑色铋粉过滤，洗涤，在40～50℃温度下烘干，即制得具有光催化活性的纳米铋粉。所得产品用于降解水中微量有毒有害难降解有机物甲基橙的反应活性，催化活性稳定，重复利用率高，具有实际应用前景。

Description

一种溴氧铋高光催化剂的制备及应用方法

技术领域

本发明一种溴氧铋高光催化剂的制备及应用方法，属于环境化工光催化水处理技术领域，具体涉及一种以金属铋板为阳极，采用电化学方法制备溴氧铋光催化剂，并同时在阴极生成纳米铋粉的制备方法；以铋板、氢氧化钠、乙二胺四乙酸和溴化钾为原料固定化溴氧铋光催化剂及同时生成具有光催化反应活性的纳米铋粉的技术方案。

背景技术

20世纪90年代以来，环境污染的控制和治理成为人类社会面临和亟待解决的重大问题之一。随着染料工业的发展，其生产废水已成为当前最重要的水体污染源之一。在众多的染料污水治理技术中，基于半导体光催化剂的多相光催化氧化反应具有室温条件反应、节能高效、深度矿化净化、可直接利用太阳光作为光源等特点，而成为一种理想的废水治理技术。从实际应用及环境保护角度来看，半导体光催化材料的固定化将成为发展的必然方向。

在半导体光催化研究中，TiO₂因其稳定、高效、价廉及无毒等性质备受研究者的青睐。但是其较大的带隙能(～3.2eV)限制了其对占太阳能45～50％的波长为400～750nm的可见光的利用。与此相比，溴氧铋(BiOBr)较低的带隙能(～2.8eV)及高度各向异性的层状结构提高了催化剂的光吸收及光生电子空穴的分离，从而使BiOBr表现出良好的光催化活性。但是，未固定化的BiOBr使得催化剂与被处理水体的分离及催化剂的重复利用变得困难。因此，如何实现BiOBr催化剂的固定化成为人们关注的焦点。目前，已有一些BiOBr固定化的研究被广泛报道。Liu等采用溶剂热法将BiOBr固定化在FTO导电玻璃上，所得BiOBr表现出良好的结晶度，且可有效降解甲基橙(Applied Surface Science,2014,288:369-372)；Li等也在钛片上通过化学涂敷法制备了BiOBr薄膜(Thin SolidFilms,2014,562:506-512)；Li等先制备了Bi₂O₃薄膜，然后通过化学反应制备了BiOBr薄膜(Applied Catalysis B:Environmental,2015,164:82-91)。

发明内容

本发明一种溴氧铋高光催化剂的制备及应用方法的目的在于：针对粉末BiOBr光催化剂不易与反应体系分离的问题，提出一种将BiOBr固定化，并同时生成具有光催化活性的纳米铋粉的方法；以铋板、氢氧化钠、乙二胺四乙酸和溴化钾为原料，通过电化学方法制备得到固定化的BiOBr薄膜及纳米铋粉。

本发明一种溴氧铋高光催化剂的制备及应用方法，其特征在于是一种以金属铋板、氢氧化钠、乙二胺四乙酸和溴化钾为原料，采用一步电化学方法制备溴氧铋薄膜光催化剂，并同时在阴极生成纳米铋粉的制备方法，其具体制备步骤为：

1)将铋板和钛板打磨后用乙醇和丙酮清洗，干燥后分别用作阳极和阴极材料；将溴化钾、乙二胺四乙酸溶于水中，用5mol·L^-1氢氧化钠溶液调节体系的pH值为8～9，得到反应所需电解质溶液；

2)以铋板为阳极，钛板为阴极，将其置于步骤1)所配电解液中；在4V电压和磁力搅拌下反应0.5～1h，反应温度控制在25～25.5℃；两电极之间的距离保持为5cm；

3)反应完成后，在铋阳极表面形成了BiOBr薄膜，与此同时将阴极钛板上生成的黑色铋粉过滤，洗涤，然后在40～50℃温度下烘干，即制得具有光催化活性的纳米铋粉，所得产物均可有效降解有机污染物甲基橙，在氙灯照射下，甲基橙的降解率均可达到99％以上。

上述一种溴氧铋光高光催化剂的应用方法，其特征在于将所制备的BiOBr薄膜及纳米铋粉应用于降解水中有机物，特别是水中微量有毒有害难降解有机物甲基橙的处理，具体降解步骤为：

步骤1：准确称取10mg的甲基橙固体，将其溶于蒸馏水中，并定容至1000mL，制得10mg·L^-1的甲基橙溶液；

步骤2：用移液管准确移取50mL步骤1得到的甲基橙溶液至反应器中，以BiOBr薄膜或纳米铋粉为光催化剂，反应体系温度控制在30～30.5℃，在暗光下先吸附1～1.5h，使其达到吸附脱附平衡；

步骤3：以350W氙灯作为光源，将步骤2所得溶液在光照下进行光催化降解反应，每间隔30～60min时间取样，并用紫外-可见分光光度法测量甲基橙溶液的吸光度并计算其转化率。

本发明一种溴氧铋高光催化剂的制备及应用方法的优点为：

(1)弥补了粉末溴氧铋光催化剂不易分离的不足，反应完成后，催化剂与反应体系可实现即时分离；同时，可实现溴氧铋的固定化及纳米铋粉的同时合成，且所得纳米铋粉也表现出良好的光催化反应活性；

(2)采用常规原料作为反应物，原料价廉易得；制备过程保持在室温，不需高温焙烧，制备条件温和，制备时间短，简单易行；同时该制备方法对环境友好，不产生有毒有害副产物；

(3)溴氧铋薄膜及纳米铋粉光催化剂具有良好的光催化活性，且能充分高效的利用太阳能，对环境治理和绿色能源利用具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施方式1制备的溴氧铋薄膜及纳米铋粉光催化剂的XRD图。

图2为本发明实施方式1制备的溴氧铋薄膜及纳米铋粉光催化剂的DRS图。

图3为本发明实施方式1制备的溴氧铋薄膜及纳米铋粉光催化剂的SEM图。

具体实施方式

实施方式1

称取5.95g溴化钾和1.86g乙二胺四乙酸，将其溶于100mL蒸馏水中。配制5mol·L^-1氢氧化钠溶液，并用所制氢氧化钠溶液调节溴化钾溶液的pH至8，制得电解液。将金属铋板和钛板打磨后先后用乙醇和丙酮清洗、干燥；以铋板为阳极，钛板为阴极，将其置于电解液中，在4V电压及磁力搅拌条件下反应1h。将阴极上的铋粉进行抽滤，洗涤，与阳极BiOBr薄膜在40℃下烘干，即得BiOBr薄膜和纳米铋粉。

所得光催化剂用于氧化处理甲基橙溶液。降解步骤为：

步骤(1)：准确称取10mg的甲基橙固体，将其溶于蒸馏水中，并定容至1000mL，制得10mg·L^-1的甲基橙溶液；

步骤(2)：用移液管准确移取50mL步骤(1)得到的甲基橙溶液至反应器中，以BiOBr薄膜为光催化剂(或者0.08g纳米铋粉为光催化剂)，反应体系温度控制在30～30.5℃，在暗光下先吸附1h，使其达到吸附脱附平衡；

步骤(3)：以氙灯(350W)作为光源，将步骤(2)所得溶液在光照下进行光催化降解反应。每间隔30min时间取样，并用紫外-可见分光光度法测量甲基橙溶液的吸光度并计算其转化率，结果见表1。

实施方式2

称取5.95g溴化钾和1.86g乙二胺四乙酸，将其溶于100mL蒸馏水中。配制5mol·L^-1氢氧化钠溶液，并用所制氢氧化钠溶液调节溴化钾溶液的pH至9，制得电解液。将金属铋板和钛板打磨后先后用乙醇和丙酮清洗、干燥；以铋板为阳极，钛板为阴极，将其置于电解液中，在4V电压及磁力搅拌条件下反应0.5h。将阴极上的铋粉进行抽滤，洗涤，与阳极BiOBr薄膜在50℃下烘干，即得BiOBr薄膜和纳米铋粉。

所得光催化剂用于氧化处理甲基橙溶液。降解步骤为：

步骤(1)：准确称取10mg的甲基橙固体，将其溶于蒸馏水中，并定容至1000mL，制得10mg·L^-1的甲基橙溶液；

步骤(2)：用移液管准确移取50mL步骤(1)得到的甲基橙溶液至反应器中，以BiOBr薄膜为光催化剂(或者0.06g纳米铋粉为光催化剂)，反应体系温度控制在30～30.5℃，在暗光下先吸附1.5h，使其达到吸附脱附平衡；

步骤(3)：以氙灯(350W)作为光源，将步骤(2)所得溶液在光照下进行光催化降解反应。每间隔1h时间取样，并用紫外-可见分光光度法测量甲基橙溶液的吸光度并计算其转化率，结果见表1。

以上实施方式中所用药品试剂均为分析纯。

表1 BiOBr薄膜和纳米铋粉光催化剂在不同实施方式下的降解情况

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Claims (2)

1.一种溴氧铋高光催化剂的制备及应用方法，其特征在于是一种以金属铋板、氢氧化钠、乙二胺四乙酸和溴化钾为原料，采用一步电化学方法制备溴氧铋薄膜光催化剂，并同时在阴极生成纳米铋粉的制备方法，其具体制备步骤为：

1) 将铋板和钛板打磨后用乙醇和丙酮清洗，干燥后分别用作阳极和阴极材料；将溴化钾、乙二胺四乙酸溶于水中，用5 mol•L-1氢氧化钠溶液调节体系的pH值为8～9，得到反应所需电解质溶液；

2) 以铋板为阳极，钛板为阴极，将其置于步骤1)所配电解液中；在4 V电压和磁力搅拌下反应0.5～1 h，反应温度控制在25～25.5 ℃；两电极之间的距离保持为5 cm；

3) 反应完成后，在铋阳极表面形成了BiOBr薄膜，与此同时将阴极钛板上生成的黑色铋粉过滤，洗涤，然后在40～50 ℃温度下烘干，即制得具有光催化活性的纳米铋粉，且所得产物均表现出良好的光催化反应活性。

2.权利要求1的方法所制备的一种溴氧铋光高光催化剂的应用方法，其特征在于将所制备的BiOBr薄膜及纳米铋粉应用于降解水中有机物，特别是水中微量有毒有害难降解有机物甲基橙的处理，具体降解步骤为：

步骤1：准确称取10 mg的甲基橙固体，将其溶于蒸馏水中，并定容至1000 mL，制得10 mg·L-1的甲基橙溶液；

步骤2：用移液管准确移取50 mL步骤1得到的甲基橙溶液至反应器中，以BiOBr薄膜或纳米铋粉为光催化剂，反应体系温度控制在30～30.5 ℃，在暗光下先吸附1～1.5 h，使其达到吸附脱附平衡；

步骤3：以350W氙灯作为光源，将步骤2所得溶液在光照下进行光催化降解反应，每间隔30～60min时间取样，并用紫外-可见分光光度法测量甲基橙溶液的吸光度并计算其转化率。