CN105536769A - 一种四面体或立方体形貌的Bi24Ga2O39光催化剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光催化剂领域，具体涉及一种四面体或立方体形貌的Bi24Ga2O39光催化剂及其制备方法。所述制备方法包括如下步骤：将氧化铋和氧化镓按照摩尔比12:1的比例溶于碱性溶液中，得到混合溶液；将混合溶液转移至反应釜中进行水热反应，反应结束后，冷却至室温；反应产物经洗涤、干燥后，得到形貌为四面体或立方体的Bi24Ga2O39光催化剂。本发明制备得到的Bi24Ga2O39光催化剂为四面体形貌或立方体形貌，具有催化活性高的优点，在光催化领域具有良好的应用前景。

Description

一种四面体或立方体形貌的Bi24Ga2O39光催化剂及其制备方法
技术领域
本发明属于光催化剂领域，具体涉及一种四面体或立方体形貌的Bi24Ga2O39光催化剂及其制备方法。
背景技术
光催化技术作为一种高级氧化技术，能够有效利用太阳光在温和的工作环境中将污染物深度矿化、处理彻底，且不产生二次污染，在环境污染控制领域有着潜在的应用前景。在众多的光催化材料中，TiO2以其成本低廉、具有超强氧化还原能力及相对较高化学稳定性等优点而成为当前最受关注的光催化材料之一。但是，大量的研究结果表明，以TiO2为代表，很多传统催化剂并不完全具备可持续性发展的潜力，而其中重要的原因之一就是TiO2能带较宽，只能够被紫外光激活，这导致其对太阳能的利用率较低。另一方面，TiO2较低的量子效率也严重限制了其进一步的发展。因此，开发新型具有可见光活性的高性能光催化材料，并早日实现其产业化的是光催化技术的一个重要的发展方向。
近几年来软铋矿材料(Bi12MO20)，因其晶体结构中存在大量氧空位及离子空位，使得具有独特的光学和电学性能，从而引起众多学者的关注，如Bi25FeO40,Bi12TiO20,Bi24Al2O39,Bi12GeO20,Bi24Ga2O39。研究表明，该结构可以理解为M离子进入γ-Bi2O3，具有γ-Bi2O3固有的大量氧空位和离子空位的晶体结构，M离子进入γ-Bi2O3，一方面稳定了晶体结构，另一方面促进了电子与空穴的分离，这导致软铋矿晶体能带结构中存在缺陷能级，有利于可见光的吸收，同时也有利于光催化性能的提高，而软铋矿中立方晶系的Bi24Ga2O39的应用前景备受关注。Bi24Ga2O39光催化剂对光的吸收阈值大于420nm，具有活性高，稳定性强，宽光谱响应等优点，使得其成为目前极具潜力的可见光光催化剂之一。Lin等采用固相法以Bi2O3和Ga2O3为原料制备了Bi24Ga2O39粉体，所得产物在紫外和可见光条件下对有机污染物亚甲基蓝的光催化效果比金红石相TiO2的效果更好(Lin,et,al.ScriptaMater.,2007,56,189-192)。
研究表明，催化剂晶体的形貌也是影响光催化反应活性的重要因素。而具有四面体和立方体形貌的光催化剂具有晶面光催化活性高以及光吸收率较高等优点，受到了人们的极大关注。目前，关于Bi24Ga2O39光催化剂的形貌控制研究非常有限，尤其是制备具有四面体或立方体形貌的Bi24Ga2O39光催化剂目前尚未见报道。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种四面体或立方体形貌的Bi24Ga2O39光催化剂及其制备方法。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种四面体或立方体形貌的Bi24Ga2O39光催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)将氧化铋和氧化镓按照摩尔比12:1的比例溶于碱性溶液中，得到混合溶液；
(2)将混合溶液转移至反应釜中，进行水热反应，反应结束后，冷却至室温；
(3)将步骤(2)所得反应产物洗涤、干燥后，得到形貌为四面体或长方体的Bi24Ga2O39光催化剂。
上述方案中，所述碱性溶液为氢氧化钠溶液或氨水溶液。
上述方案中，所述氢氧化钠溶液的浓度为0.1～1mol/L，其中，氢氧化钠与氧化镓的摩尔比为7：1～70：1。
上述方案中，所述氨水溶液的质量浓度为3.57％～4％，以1mmol氧化镓为基准，所述氨水溶液的用量为70ml。
上述方案中，所述水热反应的温度为160℃～200℃，反应时间为6h～24h。
上述方案中，所述干燥的温度为70℃，干燥时间为6h。
本发明的有益效果如下：(1)本发明所获得的四面体或立方体状Bi24Ga2O39光催化剂的催化活性高，在光催化领域具有良好的应用前景；(2)本发明方法所制备的Bi24Ga2O39光催化剂结晶度好、纯度高，且可以通过改变矿化剂的浓度和种类来控制Bi24Ga2O39光催化剂的形貌；(3)本发明采用水热法制备四面体或立方体状Bi24Ga2O39光催化剂，所述制备方法具有操作简单、安全、成本低廉等优点。
附图说明：
图1为本发明制备的Bi24Ga2O39光催化剂的XRD谱图，图1中曲线(a)、(b)和(c)分别为实施例1、实施例2和实施例3制备得到的Bi24Ga2O39光催化剂的XRD谱图。
图2为本发明制备的Bi24Ga2O39光催化剂的SEM照片，图2中(a)、(b)和(c)分别为实施例1、实施例2和实施例3制备得到的Bi24Ga2O39光催化剂SEM照片。
图3为本发明制备的Bi24Ga2O39光催化剂对六价铬的还原效果图，图3中图(a)、(b)、(c)和(d)分别为六价铬溶液在无催化剂情况下的光还原曲线(空白实验)、实施例1、实施例2和实施例3制备得到的Bi24Ga2O39光催化剂的光催化还原效果曲线。
图4为本发明制备的Bi24Ga2O39光催化剂对六价铬的还原效果图，图4中图(a)、(b)、(c)和(d)分别为六价铬溶液在实施例4、实施例5、实施例6和实施例7制备得到的Bi24Ga2O39光催化剂的光催化还原效果曲线。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
一种Bi24Ga2O39光催化剂，通过如下方法制备得到：
(1)在常温(本专利申请中指出的常温为25℃左右)和磁力搅拌条件下，将6mmol氧化铋和0.5mmol氧化镓溶于35mL的0.1mol/L氢氧化钠溶液中；
(2)将上述混合液转移至50mL的内衬为对位聚苯酚的不锈钢反应釜中(体积填充度为70％)，将不锈钢反应釜至于恒温烘箱中于180℃水热处理12h，反应结束取出后自然冷却至室温；
(3)将步骤2)得到的产物离心分离，再分别用纯水及无水乙醇离心洗涤3次后，在70℃的恒温条件下干燥6h，得到Bi24Ga2O39光催化剂。
本实施例制备得到的Bi24Ga2O39光催化剂XRD谱图见图1中(a)。图1中(a)表明，所获得产物的XRD峰均与标准Bi24Ga2O39的特征峰一致，证明所合成的样品为纯的Bi24Ga2O39。样品的SEM照片(见图2中(a))表明：所得Bi24Ga2O39光催化剂的形貌除了立方体形貌外，还含有少量四面体形貌。
将本实施例制备得到的Bi24Ga2O39光催化剂用于光催化还原六价铬溶液(重铬酸钾10mg/L)，催化剂投加量为5g/L，实验中采用300W镝灯作为光源，照射光的波长λ≥400nm。光催化降解实验表明，光催化反应2h后，与未加入催化剂的空白实验(见图中3中(a))相比较，本实施例所制得的Bi24Ga2O39光催化剂在可见光照射下，其对六价铬溶液(重铬酸钾10mg/L)的还原效率为78％(图中3中(b))。
实施例2
一种Bi24Ga2O39光催化剂，通过如下方法制备得到：
(1)在常温(25℃)和磁力搅拌条件下，将6mmol氧化铋和0.5mmol氧化镓溶于35mL的1mol/L氢氧化钠溶液中；
(2)将上述混合液转移至50mL的内衬为对位聚苯酚的不锈钢反应釜中(体积填充度为70％)，将不锈钢反应釜至于恒温烘箱中于180℃水热处理12h，反应结束取出后自然冷却至室温；
(3)将步骤(2)得到的产物离心分离，再分别用纯水及无水乙醇离心洗涤3次后，在70℃的恒温条件下干燥6h，得到Bi24Ga2O39光催化剂。
本实施例制备得到的Bi24Ga2O39光催化剂的XRD谱图见图1中(b)。图1中(b)表明，所获得Bi24Ga2O39光催化剂的XRD峰基本上与标准Bi24Ga2O39的特征峰一致，证明所合成的样品为纯的Bi24Ga2O39。样品SEM照片(见图2中(b))表明，所得Bi24Ga2O39光催化剂的形貌为四面体形貌。
将本实施例所获得Bi24Ga2O39光催化剂用于光催化还原六价铬溶液(重铬酸钾10mg/L)，催化剂投加量为5g/L，实验中采用300W镝灯作为光源，照射光的波长λ≥400nm。光催化降解实验表明，光催化反应2h后，与未加入催化剂的空白实验(见图中3(a))相比较，所制得的Bi24Ga2O39光催化剂在可见光照射下，其对六价铬溶液(重铬酸钾10mg/L)的还原效率为83％(图中3(c))。
实施例3
一种Bi24Ga2O39光催化剂，通过如下方法制备得到：
(1)在常温(25℃)和磁力搅拌条件下，将6mmol氧化铋和0.5mmol氧化镓溶于35mL的氨水溶液中，所述氨水溶液的质量浓度为3.57％～4％；
(2)将上述混合液转移至50mL的内衬为对位聚苯酚的不锈钢反应釜中(体积填充度为70％)，将不锈钢反应釜至于恒温烘箱中于180℃水热处理12h，反应结束取出后自然冷却至室温；
(3)将步骤(2)得到的产物离心分离，再分别用纯水及无水乙醇离心洗涤3次后，在70℃的恒温条件下干燥6h，得到Bi24Ga2O39光催化剂。
本实施例制备得到的Bi24Ga2O39光催化剂的XRD谱图见图1中(c)。图1中(c)表明，所获得Bi24Ga2O39光催化剂的XRD峰基本上与标准Bi24Ga2O39的特征峰一致，证明所合成的样品为纯的Bi24Ga2O39。样品SEM照片(见图2中(c))表明，所得Bi24Ga2O39光催化剂的形貌为立方体形貌。
将本实施例所获得Bi24Ga2O39光催化剂用于光催化还原六价铬溶液(重铬酸钾10mg/L)，催化剂投加量为5g/L，实验中采用300W镝灯作为光源，照射光的波长λ≥400nm。光催化降解实验表明，光催化反应2h后，与未加入催化剂的空白实验(见图3中(a))相比较，所制得的Bi24Ga2O39光催化剂在可见光照射下，其对六价铬溶液(重铬酸钾10mg/L)的还原效率为100％(图3中(d))，说明该方法制备的立方体形貌的Bi24Ga2O39光催化剂具有非常好的可见光光催化活性。
实施例4
一种Bi24Ga2O39光催化剂，通过如下方法制备得到：
(1)在常温(25℃)和磁力搅拌条件下，将6mmol氧化铋和0.5mmol氧化镓溶于35mL的氨水溶液中，所述氨水溶液的质量浓度为3.57％～4％；
(2)将上述混合液转移至50mL的内衬为对位聚苯酚的不锈钢反应釜中(体积填充度为70％)，将不锈钢反应釜至于恒温烘箱中于180℃水热处理6h，反应结束取出后自然冷却至室温；
(3)将步骤(2)得到的产物离心分离，再分别用纯水及无水乙醇离心洗涤3次后，在70℃的恒温条件下干燥6h，得到立方体形貌的Bi24Ga2O39光催化剂。
将本实施例所获得Bi24Ga2O39光催化剂用于光催化还原六价铬溶液(重铬酸钾10mg/L)，催化剂投加量为5g/L，实验中采用300W镝灯作为光源，照射光的波长λ≥400nm。光催化降解实验表明，光催化反应2h后，所制得的Bi24Ga2O39光催化剂在可见光照射下，其对六价铬溶液(重铬酸钾10mg/L)的还原效率为85％(图4中(a))。
实施例5
一种Bi24Ga2O39光催化剂，通过如下方法制备得到：
(1)在常温(25℃)和磁力搅拌条件下，将6mmol氧化铋和0.5mmol氧化镓溶于35mL的氨水溶液中，所述氨水溶液的质量浓度为3.57％～4％；
(2)将上述混合液转移至50mL的内衬为对位聚苯酚的不锈钢反应釜中(体积填充度为70％)，将不锈钢反应釜至于恒温烘箱中于180℃水热处理24h，反应结束取出后自然冷却至室温；
(3)将步骤(2)得到的产物离心分离，再分别用纯水及无水乙醇离心洗涤3次后，在70℃的恒温条件下干燥6h，得到立方体形貌的Bi24Ga2O39光催化剂。
将本实施例所获得Bi24Ga2O39光催化剂用于光催化还原六价铬溶液(重铬酸钾10mg/L)，催化剂投加量为5g/L，实验中采用300W镝灯作为光源，照射光的波长λ≥400nm。光催化降解实验表明，光催化反应2h后，所制得的Bi24Ga2O39光催化剂在可见光照射下，其对六价铬溶液(重铬酸钾10mg/L)的还原效率为86％(图4中(b))。
实施例6
一种Bi24Ga2O39光催化剂，通过如下方法制备得到：
(1)在常温(25℃)和磁力搅拌条件下，将6mmol氧化铋和0.5mmol氧化镓溶于35mL的氨水溶液中，所述氨水溶液的质量浓度为3.57％～4％；
(2)将上述混合液转移至50mL的内衬为对位聚苯酚的不锈钢反应釜中(体积填充度为70％)，将不锈钢反应釜至于恒温烘箱中于160℃水热处理12h，反应结束取出后自然冷却至室温；
(3)将步骤(2)得到的产物离心分离，再分别用纯水及无水乙醇离心洗涤3次后，在70℃的恒温条件下干燥6h，得到立方体形貌的Bi24Ga2O39光催化剂。
将本实施例所获得Bi24Ga2O39光催化剂用于光催化还原六价铬溶液(重铬酸钾10mg/L)，催化剂投加量为5g/L，实验中采用300W镝灯作为光源，照射光的波长λ≥400nm。光催化降解实验表明，光催化反应2h后，所制得的Bi24Ga2O39光催化剂在可见光照射下，其对六价铬溶液(重铬酸钾10mg/L)的还原效率为85％(图4中(c))。
实施例7
一种Bi24Ga2O39光催化剂，通过如下方法制备得到：
(1)在常温(25℃)和磁力搅拌条件下，将6mmol氧化铋和0.5mmol氧化镓溶于35mL的氨水溶液中，所述氨水溶液的质量浓度为3.57％～4％；
(2)将上述混合液转移至50mL的内衬为对位聚苯酚的不锈钢反应釜中(体积填充度为70％)，将不锈钢反应釜至于恒温烘箱中于200℃水热处理12h，反应结束取出后自然冷却至室温；
(3)将步骤(2)得到的产物离心分离，再分别用纯水及无水乙醇离心洗涤3次后，在70℃的恒温条件下干燥6h，得到立方体形貌的Bi24Ga2O39光催化剂。
将本实施例所获得Bi24Ga2O39光催化剂用于光催化还原六价铬溶液(重铬酸钾10mg/L)，催化剂投加量为5g/L，实验中采用300W镝灯作为光源，照射光的波长λ≥400nm。光催化降解实验表明，光催化反应2h后，所制得的Bi24Ga2O39光催化剂在可见光照射下，其对六价铬溶液(重铬酸钾10mg/L)的还原效率为88％(图4中(d))。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种四面体或立方体形貌的Bi24Ga2O39光催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将氧化铋和氧化镓按照摩尔比12:1的比例溶于碱性溶液中，得到混合溶液；
（2）将混合溶液转移至反应釜中进行水热反应，反应结束后，冷却至室温；
（3）将步骤（2）所得反应产物洗涤、干燥后，得到形貌为四面体或立方体的Bi24Ga2O39
光催化剂。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碱性溶液为氢氧化钠溶液或氨水溶液。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述氢氧化钠溶液的浓度为0.1~1mol/L，所述氢氧化钠与氧化镓的摩尔比为7：1~70：1。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述氨水溶液的质量浓度为3.57%~4%，以1mmol氧化镓为基准，所述氨水溶液的用量为70ml。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述水热反应的温度为160℃~200℃，反应时间为6h~24h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述干燥的温度为70℃，干燥时间为6h。
7.权利要求1~6任一所述制备方法制备得到的四面体或立方体形貌的Bi24Ga2O39光催化剂。
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