CN105521776A - 复合金属氧化物Bi4Ti3O12纳米晶及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合金属氧化物Bi4Ti3O12纳米晶的制备方法。采用KOH溶液作为矿化剂，通过加入Ti(OC4H9)4调节混合液状态，通过水热法制备得到了空间网络状的复合金属氧化物Bi4Ti3O12纳米晶。本发明方法简单，无需加入任何表面活性剂或对原料进行再处理，仅以硝酸铋和钛酸四丁酯为原料即得到Bi4Ti3O12纳米晶；对环境无污染，反应过程中不使用任何有机溶剂，同时产生废液对环境也没有污染；所制得Bi4Ti3O12纳米晶为均一的空间网状结构，位于纳米尺度，具有较大的比表面积，有利于其催化性能的提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种Bi-Ti系复合金属氧化物纳米晶及其制备方法，特别是一种空间网状复合金属氧化物Bi4Ti3O12及其制备方法，属于无机纳米材料制备领域。
背景技术
近年来，半导体光催化技术在治理环境以及光解水制氢等方面的应用得到了极为广泛的研究。其中，TiO2因其对化学及生物的无毒性、惰性、高稳定性和低成本优点,被看做是最有潜在应用价值的半导体光催化剂之一。但是由于TiO2的两个固有缺陷：带隙较宽,只能被波长小于386.5nm的紫外光激发,而占到达地面太阳光总能量90％的可见光不能被利用；TiO2中光激发产生的电子与空穴非常容易复合，其光量子效率极低，其光催化活性受到极大的影响。解决此问题的研究目前主要集中于两方面：对TiO2进行修饰改性或开发新型半导体光催化剂,要求其能被可见光激活,且具有高的光催化活性。复合金属氧化物Bi4Ti3O12是通过Bi2O3与TiO2进行复合改性，使其具有更强的光催化性能以及较好的铁电性能。
目前，DanielThomazini等人以固相法合成了Bi4Ti3O12，然而其产物为较大的片状团聚体，厚度大，反应困难，难以推广；XueLin等人采用硝酸铋、钛酸四丁酯为原料采用水热法成功合成球状Bi4Ti3O12，然而，其粒径达到微米级，比表面积较小，严重影响了它的光催化性能；ZhiwuChen等人以硝酸铋、钛酸四丁酯为原料，通过加入乙酸、乙醇对原料进行处理得到了片状Bi4Ti3O12，因其制作流程较复杂，使其难以推广。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空间网状复合金属氧化物Bi4Ti3O12纳米晶及其制备方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种复合金属氧化物Bi4Ti3O12纳米晶，所述Bi4Ti3O12纳米晶为空间网状结构。
利用软化学法制备上述具有独特形貌的复合金属氧化物Bi4Ti3O12纳米晶方法，包括以下步骤：
步骤一：将Ti(OC4H9)4溶于硝酸铋或氯化铋溶液中；
步骤二：向步骤一溶液中滴加KOH溶液直至溶液pH值为13以上；
步骤三：将步骤二溶液置于反应釜中在180℃下反应；
步骤四：反应结束后洗涤即得到网状复合金属氧化物Bi4Ti3O12纳米晶。
步骤一中Bi3+与Ti4+摩尔比为4:3。
步骤二中所述的KOH溶液的摩尔浓度为10mol/L。
步骤四中所述反应时间为24h。
本发明有以下显著优点：
1、方法简单，无需加入任何表面活性剂或对原料进行再处理，仅以硝酸铋和钛酸四丁酯为原料即得到Bi4Ti3O12纳米晶；
2、对环境无污染，反应过程中不使用任何有机溶剂，同时产生废液对环境也没有污染；
3、所制得Bi4Ti3O12纳米晶为均一的空间网状结构，位于纳米尺度，具有较大的比表面积，有利于其催化性能的提高。
附图说明
图1本发明利用五水硝酸铋及钛酸四丁酯在水热条件下制备具有网状结构的复合金属氧化物Bi4Ti3O12纳米晶的流程示意图。
图2是本发明实施例1和2网状结构的复合金属氧化物Bi4Ti3O12纳米晶样品的透射电镜图片(a)实施例1；(b)实施例2。
图3是本发明对比例1和2所制得Bi4Ti3O12纳米晶样品的透射电镜图片(a)对比例1；(b)对比例2。
图4是以本发明实施例1和2网状结构的复合金属氧化物作为催化剂的可见光降解图(a)以实施例1产物作为催化剂；(b)以实施例2产物作为催化剂。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
结合图1，本发明利用五水硝酸铋或氯化铋及钛酸四丁酯在水热条件下制备具有空间网状结构的复合金属氧化物Bi4Ti3O12纳米晶的方法，包括以下步骤：
步骤一：将Ti(OC4H9)4溶于硝酸铋或氯化铋溶液中；
步骤二：向步骤一溶液中滴加KOH溶液直至溶液pH值为13以上；
步骤三：将步骤二溶液置于反应釜中在180℃下反应；
步骤四：反应结束后洗涤即得到网状复合金属氧化物Bi4Ti3O12纳米晶。
下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细的说明：
实施例1：
步骤一：向15ml去离子水溶液中加入2mmol五水硝酸铋，搅拌，得到均匀的溶液，再将1.5mmolTi(OC4H9)4溶于步骤一所得溶液中；
步骤二：向步骤一溶液中滴加10mol/LKOH溶液，使其pH值为13.1；
步骤三：将步骤二溶液置于反应釜中在180℃下反应24h；
步骤四：反应结束后洗涤即得到空间网状复合金属氧化物Bi4Ti3O12纳米晶。
所得产物的透射电镜图片如图2(a)所示，产物形成了由小短棒组成的网状结构，空间间隙较大，分散较均匀。由光催化降解图4(a)可以看出，使用20mg催化剂在500W氙灯照射下降解50ml10mg/L甲基橙，光照射30min后甲基橙完全降解。
实施例2：
步骤一：向15ml去离子水溶液中加入2mmol氯化铋，搅拌，得到均匀的溶液，再将1.5mmolTi(OC4H9)4溶于步骤一所得溶液中；
步骤二：向步骤一溶液中滴加10mol/LKOH溶液，使其pH值为13.1；
步骤三：将步骤二溶液置于反应釜中在180℃下反应24h；
步骤四：反应结束后洗涤即得到空间网状复合金属氧化物Bi4Ti3O12纳米晶。
所得产物的透射电镜图片如图2(b)所示，产物形成了由小短棒组成的网状结构，空间间隙较小，排列较紧密。由光催化降解图4(b)可以看出，使用20mg催化剂在500W氙灯照射下降解50ml10mg/L甲基橙，光照射50min时甲基橙降解了90％。
对比例1：
步骤一：向15ml去离子水溶液中加入2mmol五水硝酸铋，搅拌，得到均匀的溶液，再将1.5mmolTi(OC4H9)4溶于步骤一所得溶液中；
步骤二：向步骤一溶液中滴加1mol/LKOH溶液，使其pH值为13.1；
步骤三：将步骤二溶液置于反应釜中在180℃下反应24h；
步骤四：反应结束后洗涤即得到Bi4Ti3O12纳米晶。
所得产物的透射电镜图片如图3(a)所示，产物大部分由颗粒组成，部分形成了棒状结构，可以认为是反应不完全所造成，由此可以看出在pH一定情况下，以高浓度的KOH作为矿化剂与低浓度的KOH是截然不同的，高浓度的KOH有利于棒的形成。
对比例2：
步骤一：向15ml去离子水溶液中加入2mmol五水硝酸铋，搅拌，得到均匀的溶液，再将1.5mmolTi(OC4H9)4溶于步骤一所得溶液中；
步骤二：向步骤一溶液中滴加10mol/LKOH溶液，使其pH值为13.1；
步骤三：将步骤二溶液置于反应釜中在180℃下反应12h；
步骤四：反应结束后洗涤即得到Bi4Ti3O12纳米晶。
所得产物的透射电镜图片如图3(b)所示，产物没有规则形状，但是可以看出有部分正在或已经形成了棒状结构，由此可以看出反应时间对产物的影响，在反应开始12小时以后，产物没有完全定型，可以预见，随着时间的延长，会逐渐形成由棒组成的空间网状结构。
Claims (5)
1.一种复合金属氧化物Bi4Ti3O12纳米晶，其特征在于，所述Bi4Ti3O12纳米晶为空间网状结构。
2.一种制备如权利要求1所述的复合金属氧化物Bi4Ti3O12纳米晶的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将Ti(OC4H9)4溶于硝酸铋或氯化铋溶液中；
步骤二：向步骤一溶液中滴加KOH溶液直至溶液pH值为13以上；
步骤三：将步骤二溶液置于反应釜中在180℃下反应；
步骤四：反应结束后洗涤即得到网状复合金属氧化物Bi4Ti3O12纳米晶。
3.根据权利要求2所述的制备复合金属氧化物Bi4Ti3O12纳米晶的方法，其特征在于，步骤一中Bi3+与Ti4+摩尔比为4:3。
4.根据权利要求2所述的制备复合金属氧化物Bi4Ti3O12纳米晶的方法，其特征在于，步骤二中所述的KOH溶液的摩尔浓度为10mol/L。
5.根据权利要求2所述的制备复合金属氧化物Bi4Ti3O12纳米晶的方法，其特征在于，步骤四中所述反应时间为24h。
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