CN104801324A - 一种磷酸钒锂-氧化铋可见光催化活性多孔纤维及其制备方法 - Google Patents
一种磷酸钒锂-氧化铋可见光催化活性多孔纤维及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种磷酸钒锂-氧化铋可见光催化活性多孔纤维及其制备方法，该方法包括如下步骤：称取磷酸钒锂超声分散于吐温80的水溶液中制成分散液；称取铋酸钠超声分散后溶解到高氯酸的乙醇溶液中，再将其加入上述磷酸钒锂分散液中搅拌；该分散液移入匀浆机中剧烈震荡2小时，迅速加入到经超声分散的纳米氧化铋水溶液中，静置24小时陈化后，移入带聚四氟乙烯内衬的压力釜中在120℃下水热处理24小时；所得沉淀离心、洗涤、干燥后，即得磷酸钒锂-氧化铋可见光催化活性多孔纤维。本发明提供的磷酸钒锂-氧化铋可见光催化活性多孔纤维具有形貌规整、比表面积大、可见光利用效率高等特点；本发明提供的制备方法原料来源广泛，工艺简单，具有很高的实用价值和应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及光催化技术领域，特别涉及一种面向水污染控制的，形貌规整、比表面积大、可见光吸收能力强的磷酸钒锂-氧化铋可见光催化活性多孔纤维及其制备方法。
背景技术
20世纪以来，随着人类改造自然的活动不断加剧，导致环境逐渐恶化。全球变暖、臭氧层破坏、二噁英事件等等都是人类生存环境恶化的直接结果。而环境污染的潜在影响远不止于此，甚至已严重地威胁到人类的继续繁衍和生存。因此，控制污染、保护环境，实现可持续发展是全人类的迫切愿望和共同心声。在各种环境污染中，最普遍、最主要和影响最大的是化学污染。因而，有效地控制和治理各种化学污染物对构成人类生存最基本的水资源、土壤和大气环境的破坏是环境综合治理中的重点，而开发使多种化学污染物无害化的实用技术则是环境保护的关键。
目前被广泛应用的具有代表性的污染控制技术主要包括：物理吸附法、化学氧化法、微生物处理法等，历史上，这些方法对环境保护和修复起到了重大作用。但是随着环境问题的发展，如人们对痕量污染物，持久性有机污染物，内分泌干扰物等新型污染物问题的认识的加深，这些传统技术不同程度地暴露出效率低，净化不彻底，易产生二次污染、使用范围窄，对污染物有选择、能耗高、不适合大规模推广等缺陷。因而，开发高效、节能、适用面广、处理彻底的污染控制技术一直是环保研究追求的目标。半导体光催化研究是目前材料和化学领域的前沿课题，在新能源和环境净化方面具有广阔的应用前景。光催化技术作为一种新型的环境污染治理方法，具有许多独特的优点，如反应条件温和、操作简便、能矿化绝大多数有机物、二次污染少及可利用太阳光等。目前报道的光催化剂大多带隙较宽、仅在紫外光区显示出高催化活性。但紫外光仅占太阳光总能量的5％，而在400～700nm的可见光占太阳光总能量的43％。因此，为了更好地利用太阳能，研制具有可见光活性的催化剂是光催化进一步走向产业化的必然趋势。同时，高效可见光催化剂的研制对解决目前的环境问题和能源危机也具有深远的意义。
氧化铋是一种富电子的半导体，其带隙宽度为2.7eV，可以作为紫外和可见光下催化析氢和析氧的非金属光催化剂。氧化铋催化剂具有环境污染控制方面应用的潜力，但需对其进行改造和优化以适应污染物降解的实际需要。目前，对于氧化铋光催化剂的改进主要集中在两个方面：1)对于氧化铋光催化活性的改进，如：Thomas等将氧化铋研磨成粉末以提高其比表面积，发现研磨后的氧化铋在可见光照(λ＞420nm)下其光催化活性提高了2倍。专利CN201410445493.X则公开了一种新型高效碘氧化铋/钼酸铋复合可见光催化材料，发现以异质结复合的办法可有效提高氧化铋光催化剂的催化活性；2)对于氧化铋光催化剂形貌的改进，如Chen等采用SBA-15作为模板剂制得了具有大的比表面积，且周期有序的介孔结构氧化铋，发现其光催化效率约为块体氧化铋的5倍。专利CN201410075408.5则公开了一种纳米球状氧化铋光催化剂的制备方法，发现低维的纳米片层微观结构和合适的禁带宽度，与传统体相氧化铋相比，能有效地提高比表面积和增强太阳光的利用率。
但总的来说，对于氧化铋的改进还局限在对其单一性质的优化，对其形貌、结构、异质结构的协同改善还未见报道。此外，当氧化铋光催化剂粉末被用于水污染控制时，难以被回收利用，容易造成催化剂流失和二次污染，因此，对于氮化碳光催化剂可分离回收性的改进也是一个重要的研究方向。
发明内容
本发明是鉴于现有技术中存在的上述问题而做出的，本发明的目的在于提供一种磷酸钒锂-氧化铋可见光催化活性多孔纤维的制备方法，本发明的另一目的是提供一种比表面积大、可见光吸收能力强、光催化活性高、易于分离回收的磷酸钒锂-氧化铋可见光催化活性多孔纤维，该纤维是利用上述的方法制备的。
为了实现上述目的，本发明第一技术方案，一种磷酸钒锂-氧化铋可见光催化活性多孔纤维，其特征在于该种纤维材料是由磷酸钒锂和氧化铋两种光催化活性物种复合而成，其纤维的长径比为5.5～12，纤维直径320～580nm，纤维中分布24～87nm大小不等的纳米孔道。
本发明的第二技术方案，一种磷酸钒锂-氧化铋可见光催化活性多孔纤维的制备方法，其特征在于，制备过程包括如下步骤：
1)称取3.2～5.5g磷酸钒锂粉末超声分散到25mL质量浓度为15～25％的吐温80水溶液中搅拌30分钟，制成磷酸钒锂分散液；
2)称取1.2～1.7g铋酸钠超声分散溶解到15mL质量浓度为45～55％的高氯酸乙醇溶液中，再将其加入上述分散液中搅拌；
3)该分散液移入匀浆机中，控制转速为22000转/分钟，剧烈震荡2小时，迅速加入到经超声分散的100mL含1.5g～2.2g纳米氧化铋的水溶液中；
4)上述溶液经静置24小时陈化后，移入带聚四氟乙烯内衬的自生压力釜中，放置于烘箱中，控制恒温120℃，水热处理24小时；
5)取出自生压力釜，自然降温冷却后，取出内容物，移去上清液，所得沉淀经离心、洗涤、干燥后，即得磷酸钒锂-氧化铋可见光催化活性多孔纤维。
本发明的第三技术方案的，在第二技术方案的基础上，其特征在于所述的磷酸钒锂粉末用量为3.2～5.5g，优选4.5g；所述的吐温80的水溶液质量浓度为15～25％，优选10％；所述的纳米氧化铋的用量为1.5g～2.2g，优选1.8g。
通过上述的技术方案，可以顺利的实现磷酸钒锂-氧化铋可见光催化活性多孔纤维的制备，其中吐温80是一种优良的结构诱导剂，可以促进纤维中纳米孔结构的形成；纳米氧化铋为纳米纤维提供了生长的晶核，纳米纤维可沿着其(110)晶面生成，水热合成则保证了纤维生长的各向异性，有利于纤维的形貌保持。
有益效果：
1.本发明提出的磷酸钒锂-氧化铋可见光催化活性多孔纤维，其长径比大于5.5，一般认为，当纤维长径比大于5的时候，采用过滤操作对其进行分离较为有利，因此该纤维在水处理过程中可以回收利用，避免了催化剂流失和二次污染；
2.本发明提出的磷酸钒锂-氧化铋可见光催化活性多孔纤维，表面和内部具有发达的孔道结构，极大地提高了其比表面积，便于污染物在纤维表面的吸附和传质，增强了光催化的活性和效率；
3.本发明以简单的水热合成法制备磷酸钒锂-氧化铋可见光催化活性多孔纤维，过程温和可控，材料来源广泛，制备周期短，便于工业放大，具有较高的工业应用价值。
附图说明
为更清楚地说明本发明的具体实施方式，下面对具体实施方式部分的描述中使用到的附图作简单说明。
图1为磷酸钒锂-氧化铋可见光催化活性多孔纤维的扫描电子显微镜图片；
图2为以磷酸钒锂-氧化铋多孔纤维作为光催化剂降解水中壬基酚和三氯甲烷的浓度变化曲线；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明的具体实施方式进行详细描述。
第一实施例
称取3.2g磷酸钒锂粉末超声分散到25mL质量浓度为15％的吐温80的水溶液中搅拌30分钟，制成磷酸钒锂分散液，称取1.2g铋酸钠超声分散后溶解到15mL质量浓度为50％的高氯酸乙醇溶液中，再将其加入上述分散液中搅拌，该分散液移入匀浆机中，控制转速为22000转/分钟，剧烈震荡2小时，迅速加入到经超声分散的100mL含2.0g纳米氧化铋的水溶液中，上述溶液经静置24小时陈化后，移入带聚四氟乙烯内衬的自生压力釜中，移入到烘箱中，控制恒温120℃，水热处理24小时，取出自生压力釜，自然降温冷却后，取出内容物，移去上清液，所得沉淀经离心、洗涤、干燥后，即得磷酸钒锂-氧化铋可见光催化活性多孔纤维。所得复合光催化活性纤维的长径比为12，纤维平均直径320nm，纳米孔道平均直径45nm(见附图1)。该活性纤维(0.5g/L)被用于降解水中壬基酚(10mg/L)和三氯甲烷(10mg/L)，30分钟降解率可达96.5％和67.2％(见图2)。
第二实施例
第二实施例为第一实施例的变形例，与第一实施例的区别在于磷酸钒锂粉末用量为5.5g，吐温80水溶液的质量浓度为22％，铋酸钠用量为1.52g，高氯酸乙醇溶液的浓度为45％，纳米氧化铋的用量为1.5g，其余操作条件与实施例1相同，在此不再赘述。所得复合光催化活性纤维的长径比为7，纤维平均直径442nm，纳米孔道平均直径87nm。
第三实施例
第三实施例为第一实施例的变形例，与第一实施例的区别在于磷酸钒锂粉末用量为4.7g，吐温80水溶液的质量浓度为25％，铋酸钠用量为1.7g，高氯酸乙醇溶液的浓度为47％，纳米氧化铋的用量为2.2g，其余操作条件与实施例1相同，所得复合光催化活性纤维的长径比为5.5，纤维平均直径580nm，纳米孔道平均直径24nm。
第四实施例
第四实施例为第一实施例的变形例，与第一实施例的区别在于磷酸钒锂粉末用量为4.0g，吐温80水溶液的质量浓度为17％，铋酸钠用量为1.35g，高氯酸乙醇溶液的浓度为48.3％，纳米氧化铋的用量为1.97g，其余操作条件与实施例1相同。所得复合光催化活性纤维的长径比为11.6，纤维平均直径435nm，纳米孔道平均直径84nm。
以上所述的具体实施方式仅用于具体说明本发明的精神，本发明的保护范围并不局限于此，对于本技术领域的技术人员来说，当然可根据本说明书中所公开的技术内容，通过变更、置换或变型的方式轻易做出其它的实施方式，这些其它的实施方式都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种磷酸钒锂-氧化铋可见光催化活性多孔纤维，其特征在于该种纤维材料是由磷酸钒锂和氧化铋两种光催化活性物种复合而成，其纤维的长径比为5.5～12，纤维直径320～580nm，纤维中分布平均直径在24～87nm的纳米孔道。
2.如权利要求1中所述的一种磷酸钒锂-氧化铋可见光催化活性多孔纤维，其特征在于。制备过程包括如下步骤：
1)称取3.2～5.5g磷酸钒锂粉末超声分散到25mL质量浓度为15～25％的吐温80水溶液中搅拌30分钟，制成磷酸钒锂分散液；
2)称取1.2～1.7g铋酸钠超声分散溶解到15mL质量浓度为45～55％的高氯酸乙醇溶液中，再将其加入上述分散液中搅拌；
3)该分散液移入匀浆机中，控制转速为22000转/分钟，剧烈震荡2小时，迅速加入到经超声分散的100mL含1.5g～2.2g纳米氧化铋的水溶液中；
4)上述溶液经静置24小时陈化后，移入带聚四氟乙烯内衬的自生压力釜中，放置于烘箱中，控制恒温120℃，水热处理24小时；
5)取出自生压力釜，自然降温冷却后，取出内容物，移去上清液，所得沉淀经离心、洗涤、干燥后，即得磷酸钒锂-氧化铋可见光催化活性多孔纤维。
3.如权利要求2中所述的一种磷酸钒锂-氧化铋可见光催化活性多孔纤维的制备方法，其特征在于所述的磷酸钒锂粉末用量为3.2～5.5g，优选4.5g；所述的吐温80的水溶液质量浓度为15～25％，优选10％；所述的纳米氧化铋的用量为1.5g～2.2g，优选1.8g。
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