CN104826627A - 一种用于水处理的高性能光催化剂及其制备方法 - Google Patents

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本发明涉及水处理的方法，具体涉及一种用于水处理的高性能光催化剂及其制备方法。催化剂为单斜相钒酸铋{010}晶面上构建Ag-BiVO4金属-半导体异质结、单斜相钒酸铋{110}晶面上构建Co3O4-BiVO4p-n异质结或单斜相钒酸铋{010}和{110}晶面上分别构建Ag-BiVO4金属-半导体异质结和Co3O4-BiVO4p-n异质结。本发明操作简单易行，不需要昂贵的设备，所用试剂无环境危害。

Description

一种用于水处理的高性能光催化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及水处理的方法，具体涉及一种用于水处理的高性能光催化剂及其制备方法。
背景技术
水的处理对人类健康起到至关重要的作用。目前，用于水处理的方法很多，包括紫外照射等。但这些方法都存在很多问题，例如毒性副产物的产生，能源的消耗等。光催化水处理技术是目前公认的环境友好的水处理技术。与其他技术相比，具有无选择性、无需添加化学试剂等。现有研究证实，氧化钛具有很优异的光催化性能。但由于其较宽的能带宽度，氧化钛只能吸收利用紫外光，这为其应用带来很大的限制。
为更好的利用太阳光能，可见光光催化剂的开发受到研究者的广泛关注。由于钒酸铋合适的能带位置，其在水处理中具有较好的应用前景。目前研究发现，钒酸铋晶体中电子和空穴的复合是导致其性能低劣的原因的之一，也是其在实际中应用的主要问题。异质结的构建是提高催化剂光生电子和空穴分离的主要手段之一，目前光催化剂异质结构建多采用浸泡-煅烧的方法，该方法构建的异质结会随机在光催化剂表面形成，其性能难以得以优化。
发明内容
本发明的目是提供一种用于水处理的高性能光催化剂及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于水处理的高性能光催化剂，催化剂为单斜相钒酸铋{010}晶面上构建Ag-BiVO4金属-半导体异质结、单斜相钒酸铋{110}晶面上构建Co3O4-BiVO4p-n异质结或单斜相钒酸铋{010}和{110}晶面上分别构建Ag-BiVO4金属-半导体异质结和Co3O4-BiVO4p-n异质结。
所述单斜相钒酸铋为将Bi(NO3)3·5H2O溶解HNO3中，NH4VO3溶解至NaOH溶液中，而后将两种溶解液混合，调节经混合后的混合液的pH调节至强酸性(即pH＝1.0)，调节后将混合溶液经水热反应12-24小时，将反应所得晶体进行离心分离获得单斜相钒酸铋。
所述混合液中Bi(NO3)3·5H2O和NH4VO3的摩尔比为1:1；Bi(NO3)3·5H2O和NH4VO3的浓度均为10-5～1mol/L。
单斜相钒酸铋{010}晶面上构建Ag-BiVO4金属-半导体异质结是将单斜相钒酸铋分散至先驱体溶液1中，采用可见光光源对分散液进行照射，实现金属颗粒在{010}晶面上的沉积，进而在{010}晶面上选择性构建金属-半导体异质结；
单斜相钒酸铋{110}晶面上构建Co3O4-BiVO4p-n异质结将单斜相钒酸铋分散至先驱体溶液2中，采用模拟太阳光光源对分散液进行照射，实现P型半导体材料在{110}晶面上的沉积，进而在{110}晶面上选择性构建p-n异质结；
单斜相钒酸铋{010}和{110}晶面上分别构建Ag-BiVO4金属-半导体异质结和Co3O4-BiVO4p-n异质结是将单斜相钒酸铋分散至先驱体溶液1中，采用可见光光源对分散液进行照射，实现金属颗粒在{010}晶面上的沉积，沉积后的钒酸铋分散至先驱体溶液2中，采用可见光光源对分散液进行照射，实现P型半导体材料在{110}晶面上的沉积，进而在金属-半导体异质结的{110}晶面上选择性构建得到p-n异质结，即得到单斜相钒酸铋{010}晶面和{110}晶面上分别构建金属-半导体异质结和p-n异质结。
所述先驱体溶液1为浓度为10-5～1mol/L的AgNO3溶液；先驱体溶液2为浓度在10-5～1mol/L的Co(NO3)2溶液；
所述光照射沉积时间为5min～5h。
一种用于水处理的高性能光催化剂的制备方法，单斜相钒酸铋{010}晶面上构建Ag-BiVO4金属-半导体异质结是将单斜相钒酸铋分散至先驱体溶液1中，采用可见光光源对分散液进行照射，实现金属颗粒在{010}晶面上的沉积，进而在{010}晶面上选择性构建金属-半导体异质结；
单斜相钒酸铋{110}晶面上构建Co3O4-BiVO4p-n异质结是将单斜相钒酸铋分散至先驱体溶液2中，采用可见光光源对分散液进行照射，实现P型半导体材料在{110}晶面上的沉积，进而在{110}晶面上选择性构建p-n异质结；
单斜相钒酸铋{010}和{110}晶面上分别构建Ag-BiVO4金属-半导体异质结和Co3O4-BiVO4p-n异质结是将单斜相钒酸铋分散至先驱体溶液1中，采用可见光光源对分散液进行照射，实现金属颗粒在{010}晶面上的沉积，沉积后的异质结分散至先驱体溶液2中，采用模拟太阳光光源对分散液进行照射，实现P型半导体材料在{110}晶面上的沉积，进而在金属-半导体异质结的{110}晶面上选择性构建得到p-n异质结，即得到单斜相钒酸铋{010}晶面和{110}晶面上分别构建金属-半导体异质结和p-n异质结。
所述先驱体溶液1为浓度为10-5～1mol/L的AgNO3或H2PtCl6溶液；先驱体溶液2为浓度在10-5～1mol/L的Co(NO3)2或Pb(NO3)2溶液；
所述光照射沉积时间为5min～5h。
所述单斜相钒酸铋为将Bi(NO3)3·5H2O溶解HNO3中，NH4VO3溶解至NaOH溶液中，而后将两种溶解液混合，调节经混合后的混合液的pH调节至1.0，调节后将混合溶液经水热反应12-24小时，将反应所得晶体进行离心分离获得单斜相钒酸铋。
所述混合液中Bi(NO3)3·5H2O和NH4VO3的摩尔比为1:1；Bi(NO3)3·5H2O和NH4VO3的浓度均为10-5～1mol/L。
一种用于水处理的高性能光催化剂的应用，所述光催化剂作为水处理的催化剂。
所获得的复合催化剂对染料罗丹明B表现出优异的光降解性能，不同晶面上构建的异质结可通过加和作用增强光催化剂的光降解性能。
本发明所具有的优点：
通过本发明的方式，通过在钒酸铋不同晶面上分别构建异质结，以提高光生电子和空穴的分离效率，有效利于光生电子和空穴，进而提高光催化剂的水处理性能。
具体是在钒酸铋的{110}和{010}晶面分别构建p-n异质结和金属-半导体异质结的复合光催化剂，所获得的复合催化剂对染料罗丹明B表现出优异的光降解性能，不同晶面上构建的异质结可通过加和作用增强光催化剂的光降解性能。本发明操作简单易行，不需要昂贵的设备，所用试剂无环境危害。
附图说明
图1为本发明实施例提供的采用水热方法获得的单斜相钒酸铋形貌(a),在单斜相钒酸铋{010}晶面上构建Ag-BiVO4金属-半导体异质结后的微观形貌(b)，在单斜相钒酸铋{110}晶面上构建Co3O4-BiVO4p-n异质结后的微观形貌(c,d)，在单斜相钒酸铋{010}和{110}晶面上分别构建Ag-BiVO4金属-半导体异质结和Co3O4-BiVO4p-n异质结的微观形貌(e,f)；
图2为本发明实施例提供的BiVO4、Ag-BiVO4、Co3O4-BiVO4和Ag-BiVO4-Co3O4四种光催化剂单独存在条件下罗丹明B浓度随时间变化曲线图。
具体实施方式
实施例1
(1)将50mmol Bi(NO3)3·5H2O溶解至10mL 4.0M HNO3中，再将50mmol NH4VO3溶解至10mL 2.0M NaOH溶液，而后将两种溶解液混合，混合后用NaOH溶液将pH调节至1.0，混合溶液经水热反应12小时，将反应所得晶体进行离心分离获得单斜相钒酸铋(图1a)。
(2)将步骤(1)所制备的0.1g单斜相钒酸铋分散至2g/L AgNO3溶液中，采用可见光光源对溶液进行4小时，实现金属颗粒Ag在{010}晶面上的沉积，进而在{010}晶面上选择性构建得到金属-半导体异质结(图1b)；
(3)将步骤(1)所制备的0.1g单斜相钒酸铋分散至50mL 1.456g/L Co(NO3)2和4g/L NaIO3混合溶液中，采用模拟太阳光对溶液进行4小时，实现在{110}晶面上沉积Co3O4，进而在{110}晶面上选择性构建得到p-n异质结(图1c,d)；
(4)将步骤(1)所制备的0.1g单斜相钒酸铋分散至2g/L AgNO3溶液中，采用可见光光源对溶液进行照射4小时，实现金属颗粒Ag在{010}晶面上的沉积，进而在{010}晶面上选择性构建得到金属-半导体异质结；然后，将所得金属-半导体异质结分散至50mL 1.456g/L Co(NO3)2和4g/L NaIO3混合溶液中，采用模拟太阳光对溶液进行照射，实现在金属-半导体异质结的{110}晶面上沉积Co3O4，进而在金属-半导体异质结的{110}晶面上选择性构建得到p-n异质结，最终实现在{010}晶面和{110}晶面上分别构建金属-半导体异质结和p-n异质结(图1e,f)；
(5)对比上述步骤中合成的单斜相钒酸铋(BiVO4)、Ag-BiVO4、Co3O4-BiVO4和Ag-BiVO4-Co3O4四种催化剂对罗丹明B的光降解作用，得到光照射条件下罗丹明B浓度随时间变化曲线。证实异质结的构建会增强光催化水处理性能，两种异质结的同时构建会通过加和作用实现对染料的降解。

Claims (10)

1.一种用于水处理的高性能光催化剂，其特征在于：催化剂为单斜相钒酸铋{010}晶面上构建Ag-BiVO4金属-半导体异质结、单斜相钒酸铋{110}晶面上构建Co3O4-BiVO4p-n异质结或单斜相钒酸铋{010}和{110}晶面上分别构建Ag-BiVO4金属-半导体异质结和Co3O4-BiVO4p-n异质结。
2.按权利要求1所述的用于水处理的高性能光催化剂，其特征在于：所述单斜相钒酸铋为将Bi(NO3)3·5H2O溶解HNO3中，NH4VO3溶解至NaOH溶液中，而后将两种溶解液混合，调节经混合后的混合液的pH调节至强酸性，调节后将混合溶液经水热反应12-24小时，将反应所得晶体进行离心分离获得单斜相钒酸铋。
3.按权利要求2所述的用于水处理的高性能光催化剂，其特征在于：所述混合液中Bi(NO3)3·5H2O和NH4VO3的摩尔比为1:1；Bi(NO3)3·5H2O和NH4VO3的浓度均为10-5～1mol/L。
4.按权利要求1所述的用于水处理的高性能光催化剂，其特征在于：单斜相钒酸铋{010}晶面上构建Ag-BiVO4金属-半导体异质结是将单斜相钒酸铋分散至先驱体溶液1中，采用可见光光源对分散液进行照射，实现金属颗粒在{010}晶面上的沉积，进而在{010}晶面上选择性构建金属-半导体异质结；
单斜相钒酸铋{110}晶面上构建Co3O4-BiVO4p-n异质结将单斜相钒酸铋分散至先驱体溶液2中，采用模拟太阳光光源对分散液进行照射，实现P型半导体材料在{110}晶面上的沉积，进而在{110}晶面上选择性构建p-n异质结；
单斜相钒酸铋{010}和{110}晶面上分别构建Ag-BiVO4金属-半导体异质结和Co3O4-BiVO4p-n异质结是将单斜相钒酸铋分散至先驱体溶液1中，采用可见光光源对分散液进行照射，实现金属颗粒在{010}晶面上的沉积，沉积后的钒酸铋分散至先驱体溶液2中，采用可见光光源对分散液进行照射，实现P型半导体材料在{110}晶面上的沉积，进而在金属-半导体异质结的{110}晶面上选择性构建得到p-n异质结，即得到单斜相钒酸铋{010}晶面和{110}晶面上分别构建金属-半导体异质结和p-n异质结。
5.按权利要求4所述的用于水处理的高性能光催化剂，其特征在于：所述先驱体溶液1为浓度为10-5～1mol/L的AgNO3或H2PtCl6溶液；先驱体溶液2为浓度在10-5～1mol/L的Co(NO3)2或Pb(NO3)2溶液；
所述光照射沉积时间为5min～5h。
6.一种权利要求1所述的用于水处理的高性能光催化剂的制备方法，其特征在于：单斜相钒酸铋{010}晶面上构建Ag-BiVO4金属-半导体异质结是将单斜相钒酸铋分散至先驱体溶液1中，采用可见光光源对分散液进行照射，实现金属颗粒在{010}晶面上的沉积，进而在{010}晶面上选择性构建金属-半导体异质结；
单斜相钒酸铋{110}晶面上构建Co3O4-BiVO4p-n异质结是将单斜相钒酸铋分散至先驱体溶液2中，采用可见光光源对分散液进行照射，实现P型半导体材料在{110}晶面上的沉积，进而在{110}晶面上选择性构建p-n异质结；
单斜相钒酸铋{010}和{110}晶面上分别构建Ag-BiVO4金属-半导体异质结和Co3O4-BiVO4p-n异质结是将单斜相钒酸铋分散至先驱体溶液1中，采用可见光光源对分散液进行照射，实现金属颗粒在{010}晶面上的沉积，沉积后的异质结分散至先驱体溶液2中，采用模拟太阳光光源对分散液进行照射，实现P型半导体材料在{110}晶面上的沉积，进而在金属-半导体异质结的{110}晶面上选择性构建得到p-n异质结，即得到单斜相钒酸铋{010}晶面和{110}晶面上分别构建金属-半导体异质结和p-n异质结。
7.按权利要求6所述的用于水处理的高性能光催化剂的制备方法，其特征在于：所述先驱体溶液1为浓度为10-5～1mol/L的AgNO3溶液；先驱体溶液2为浓度在10-5～1mol/L的Co(NO3)2溶液；
所述光照射沉积时间为5min～5h。
8.按权利要求6所述的用于水处理的高性能光催化剂的制备方法，其特征在于：所述单斜相钒酸铋为将Bi(NO3)3·5H2O溶解HNO3中，NH4VO3溶解至NaOH溶液中，而后将两种溶解液混合，调节经混合后的混合液的pH调节至1.0，调节后将混合溶液经水热反应12-24小时，将反应所得晶体进行离心分离获得单斜相钒酸铋。
9.按权利要求8所述的用于水处理的高性能光催化剂的制备方法，其特征在于：所述混合液中Bi(NO3)3·5H2O和NH4VO3的摩尔比为1:1；Bi(NO3)3·5H2O和NH4VO3的浓度均为10-5～1mol/L。
10.一种权利要求1所述的用于水处理的高性能光催化剂的应用，其特征在于：所述光催化剂作为水处理的催化剂。
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