CN105597794A - 一种复合可见光光催化剂及其制备方法 - Google Patents

一种复合可见光光催化剂及其制备方法 Download PDF

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    • B01J27/00—Catalysts comprising the elements or compounds of halogens, sulfur, selenium, tellurium, phosphorus or nitrogen; Catalysts comprising carbon compounds
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    • B01J21/18—Carbon

Abstract

本发明公开了一种复合可见光光催化剂及其制备方法，该催化剂是直径为1～2mm的BiOClxBr1-x微球负载在石墨烯纳米片上形成的，其中石墨烯的质量百分比为5％-20％。制备方法是：(1)将石墨烯分散到有机溶剂中，得到石墨烯溶液；(2)将铋源、氯源及溴源加入同样种类的有机溶剂中，混合均匀，得到混合物溶液；(3)将混合物溶液加入到石墨烯溶液中，移入反应釜，密封，100℃～200℃反应12-24h，反应结束后冷却至室温，产物经清洗，干燥后经高温退火得到，该复合催化剂的结晶性能良好,在催化、锂电、超级电容器及润滑磨损等领域有着广泛的应用前景。

Description

一种复合可见光光催化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及纳米材料领域，具体地，是涉及一种石墨烯-BiOClxBr1-x复合可见光光催化剂及其制备方法。
背景技术
近年来，半导体光催化剂作为一种绿色材料被广泛应用于能源危机和环境保护。其中，锐钛矿结构的二氧化钛纳米材料是光催化材料研究的热点，而且已经被证明为最有效地光催化材料。然而，二氧化钛的禁带宽度为3.2ev，不能有效利用太阳能。因此，寻找更有效的可见光光催化材料就成为光催化发展的趋势。
具有层状化结构的卤氧铋系BiOX(X＝Cl,Br,I)光催化材料，表现出独特的层状结构、电子特性、光学性质以及良好的光催化活性和稳定性，引起光催化领域国内外科学家的极大关注。特别是BiOClxBr1-x的固溶体具有更加优异的可见光光催化性能。中国专利201310182509.8公布了一种掺杂碘的BiOClBr光催化剂及其制备方法，有效说明BiOClxBr1-x的固溶体能增强光催化能力。而中国专利CN104525227A、CN104174415A、CN103920508A等进一步通过复合的方式提高BiOX的可见光光催化性能。
半导体材料石墨烯因在可见光区有良好的吸收，并具有优异的化学稳定性而受到人们的普遍关注，其作为新型非金属光催化材料被广泛应用于有机反应、降解有机染料、光解水制氢等各类催化反应中，近年来，石墨烯还被广泛应用于光催化剂的改性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供复合可见光光催化剂及其制备方法，通过BiOClxBr1-x与石墨烯的复合进一步提升卤氧铋系光催化材料的性能，原料成本低廉、工艺简单、产率高。
为了实现上述发明目的，本发明采用以下的技术方案：
复合可见光光催化剂，是直径为1～2mm的BiOClxBr1-x微球负载在石墨烯纳米片，其中石墨烯的质量百分比为5％-20％，较佳为10％。
复合可见光光催化剂的制备方法，步骤如下：
(1)在搅拌及超声波的条件下,将石墨烯分散到有机溶剂中，得到石墨烯溶液；浓度为0.285-0.57wt％；
(2)将铋源、氯源及溴源加入同样的有机溶剂中，混合均匀，得到混合物溶液，备用；
所述的铋源为铋的可溶性盐，如硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O)；
氯源和溴源为有机卤化物，如十四烷基三甲基溴化铵(CTAB)、十四烷基三甲基氯化铵(TTAC)；
铋源与氯源和溴源总和的摩尔比为1：1；
氯源和溴源按照Cl:Br的摩尔比为3:7-7:3，较佳为7:3；
所述的有机溶剂为乙二醇或者无水乙醇；
(3)将步骤(2)所得混合物溶液加入到步骤(1)的石墨烯溶液中，混合均匀，得到反应液；
(4)将反应液移入不锈钢反应釜，密封，100℃～200℃反应12-24h，反应结束后冷却至室温，用去离子水反复清洗产物，再用无水乙醇反复清洗，干燥后经高温退火得到反应产物。
本发明所得复合物具有优异的光催化性能。
本发明方法的成本价廉，生产工艺简单易控，产物差率高，适合大规模的工业生产。
附图说明
图1是本发明实施例1所得的石墨烯-BiOClxBr1-x(x＝0.7)复合纳米结构的XRD谱图，与BiOCl图谱的文献值(JCPDSno.73-2060)一致。没有BiOBr的特征峰出现是由于形成了BiOCl0.7Br0.3的固溶体。图谱未出现氧化石墨烯(GO)的峰，是由于GO的含量较低且被还原成石墨烯。
图2是本发明实施例1所得的石墨烯-BiOClxBr1-x复合纳米结构的SEM图(a)和TEM图(b)，可以看出直径为1～2μm的BiOClxBr1-x微球负载到石墨烯纳米片上；
图3是本发明实施例1所得的石墨烯-BiOClxBr1-x复合光催化剂对罗丹明B的光催化数据图，50min内100％降解了10g/L罗丹明B，图3中的插图是不同催化时间的溶液颜色对照图；
图4是本发明实施例1所得的BiOClxBr1-x与不同浓度石墨烯-BiOClxBr1-x(空白、BiOClxBr1-x、5％复合物、10％复合物、20％复合物)的复合光催化剂对罗丹明B的光催化数据图，从图中可以看出10％石墨烯-BiOClxBr1-x复合光催化剂具有最优异的光催化性能。
具体实施方式
以下通过具体实施方式进一步描述本发明，由技术常识可知，本发明也可通过其它的不脱离本发明技术特征的方案来描述，因此所有在本发明范围内或等同本发明范围内的改变均被本发明包含。本发明所采用的试剂均经过市售获得。
实施例1：
石墨烯-BiOClxBr1-x(x＝0.3)复合可见光光催化剂的制备方法，步骤如下：
(1)在搅拌及超声波的条件下,将0.1g石墨烯分散到35mL乙二醇中，得到石墨烯溶液；
(2)将1mmol的Bi(NO3)3·5H2O、0.3mmol十四烷基三甲基氯化铵(CTAB)和0.7mmol十四烷基三甲基溴化铵(TTAC)加入35ml乙二醇(EG)中，室温下搅拌0.5小时，加入到步骤(1)所得石墨烯溶液中，磁力搅拌1小时；
(3)然后将所得悬浮液转移至100ml内衬的不锈钢反应釜中，放入烘箱在180℃条件下加热12小时，然后冷却至室温。收集生成的沉淀物，并用乙醇和蒸馏水彻底洗涤，并在50℃在空气中干燥，得到复合可见光光催化剂。
光催化实验：将0.1g复合可见光光催化剂分散到200mL的罗丹明B水溶液中，并在黑暗条件下连续磁搅拌1小时，使染料和催化剂之间达到平衡。在可见光照射下，每隔10min中，从反应器中吸取约5ml悬浮液，离心(13000转，15分钟)除去悬浮液中的光催化剂颗粒。然后，在紫外-可见光漫反射光谱仪测定其吸光度，见图3所示。
实施例2：
实施例2与实施例1的内容不同点如下：
步骤(2)中，0.7mmol十四烷基三甲基氯化铵(CTAB)和0.3mmol十四烷基三甲基溴化铵溶于35ml乙醇；
步骤(3)中，反应液在200℃反应24小时。
得到了直径为1～2mmBiOClxBr1-x微球负载到石墨烯纳米片上的复合光催化剂，x＝0.7，是直径为1～2微米的BiOClxBr1-x微球负载到石墨烯纳米片上；对罗丹明B的光催化实验中，50min内100％降解了10g/L罗丹明B。
实施例3：
石墨烯-BiOClxBr1-x复合可见光光催化剂的制备方法，步骤如下：
(1)在搅拌及超声波的条件下,将0.2g石墨烯分散到35mL乙二醇中，得到石墨烯溶液；
(2)将1mmol的Bi(NO3)3·5H2O、0.5mmol十四烷基三甲基氯化铵(CTAB)和0.5mmol十四烷基三甲基氯化铵(TTAC)加入到35ml乙醇中，室温下搅拌0.5小时，加入到步骤(1)所得石墨烯溶液中，磁力搅拌1小时。
(3)然后将所得悬浮液转移至100ml内衬的不锈钢反应釜中，放入烘箱在100℃条件下加热20小时，然后冷却至室温。收集生成的沉淀物，并用乙醇和蒸馏水彻底洗涤，并在50℃在空气中干燥，得到的产物是直径为1～2微米的BiOClxBr1-x微球负载到石墨烯纳米片上；对罗丹明B的光催化实验中，50min内100％降解了10g/L罗丹明B。

Claims (6)

1.一种复合可见光光催化剂，其特征在于是直径为1～2mm的BiOClxBr1-x微球负载在石墨烯纳米片上形成，其中石墨烯的质量百分比为5％-20％。
2.一种权利要求1所述的复合可见光光催化剂的制备方法，其特征在于步骤如下：
(1)将石墨烯分散到有机溶剂中，得到石墨烯溶液，溶液浓度为0.285～0.57wt％；
(2)将铋源、氯源及溴源加入同样种类的有机溶剂中，混合均匀，得到混合物溶液，备用；
(3)将步骤(2)所得混合物溶液加入到步骤(1)的石墨烯溶液中，混合均匀，得到反应液；
(4)将反应液移入不锈钢反应釜，密封，100℃～200℃反应12-24h，反应结束后冷却至室温，用去离子水反复清洗产物，再用无水乙醇反复清洗，干燥后经高温退火得到反应产物。
3.根据权利要求2所述的复合可见光光催化剂的制备方法，其特征在于步骤(2)中所述的铋源为铋的可溶性盐；氯源和溴源为有机卤化物，所述的有机溶剂为乙二醇或者无水乙醇。
4.根据权利要求3所述的复合可见光光催化剂的制备方法，其特征在于所述的铋源为硝酸铋。
5.根据权利要求3所述的复合可见光光催化剂的制备方法，其特征在于所述的氯源和溴源分别为十四烷基三甲基氯化铵和十四烷基三甲基溴化铵。
6.根据权利要求1所述的复合可见光光催化剂的制备方法，其特征在于所述的铋源与氯源和溴源总和的摩尔比为1：1；氯源和溴源按照Cl:Br的摩尔比为3:7-7:3。
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