CN105618030A - 一种高效光催化剂SrTiO3/Bi2WO6的制备方法及其应用 - Google Patents

一种高效光催化剂SrTiO3/Bi2WO6的制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光催化剂SrTiO3/Bi2WO6的制备方法及其应用。本发明用于解决可见光下光催化降解效率低、催化剂不稳定、以及光生电子和空穴复合等问题。该催化剂制备方法如下：在超声搅拌的条件下将NaOH加入到TiCl4和Sr(OH)2·8H2O的混合溶液中，然后将得到的前驱体置于水热釜中加热，产物经洗涤干燥后得到纳米级SrTiO3；将SrTiO3溶于铋盐溶液后，与钨酸盐溶液混合，置于水热釜内加热，产物经洗涤干燥后就可以得到SrTiO3/Bi2WO6光催化材料。本发明制备的催化剂材料生产方法简单，光催化活性高，性能稳定，价格低廉。

Description

一种高效光催化剂SrTiO3/Bi2WO6的制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种高效光催化剂材料的制备及应用，尤其是用于降解有机染料的SrTiO3/Bi2WO6高效光催化剂材料的制备方法及其在可见光下对罗丹明B或具有与其相似的显色基团的有机染料的高效降解。
背景技术
近年来经济飞速发展，但是能源与环境问题却日益突出，而且废水污染已经成为最严重的环境污染之一，一些工业废水中含有大量的有机染料，这些废水中含有的毒性芳香烃中间产物具有致癌性，这对人类的健康生活是极大的威胁。传统的水处理方法，如物理吸附和膜技术絮凝沉淀等，只是将污染物富集并转移，没有彻底地进行降解，然而光催化技术能通过化学氧化的方法将有机物彻底分解。光催化是一种环境友好的技术，对于人类的可持续发展具有非常重要的意义。
半导体催化剂具有极强的氧化性，可以通过与有机染料分子的氧化还原反应，使其完全降解。光催化技术可以充分利用日常生活中随处可见的太阳能和空气中的氧气为反应原料，既清洁又廉价易得。其中Bi2WO6半导体具有良好的物理性能和热稳定性，以及较强的抗光腐蚀性，在可见光下就具有光催化活性。因此，Bi2WO6可用于可见光下降解有机染料废水。
提高Bi2WO6的光催化性能的方法很多，如掺杂其他金属，中国专利CN102764659A中用钴修饰Bi2WO6形成复合催化剂，以此来提高Bi2WO6的光催化活性，然而钴是会污染环境的重金属，并且该方法需要高温焙烧且原料并不廉价。
本发明利用二次水热法在纳米级的Bi2WO6表面复合少量的SrTiO3，降低了Bi2WO6中光生电子空穴对的复合几率，从而提高了Bi2WO6光催化降解有机染料分子的性能。这种异质结材料制备方法简单，无需高温，不负载有害的重金属，且不造成二次污染，是一种环境友好的催化剂。
发明内容：
技术问题：本发明的目的在于提供一种SrTiO3/Bi2WO6高效光催化剂材料的制备及应用，以有效抑制传统Bi2WO6光催化材料中电子空穴对的复合，从而提高其光催化降解有机染料的效率。
发明内容：为解决上述技术问题，本发明提供了一种高效光催化材料SrTiO3/Bi2WO6的制备方法，所述的光催化剂为SrTiO3和Bi2WO6是经过二次水热法形成的异质结催化剂，该方法制备的Bi2WO6是片层状的纳米颗粒，该制备方法包括以下步骤：
步骤1：将TiCl4和Sr(OH)2·8H2O按1-5:1-10的摩尔比溶解，然后逐滴加入11-15mL5mol/L的NaOH溶液，搅拌均匀后置于水热釜中，在120-180℃下加热24-48h，冷却至室温，用去离子水洗涤，真空干燥即可得到纳米级的SrTiO3粉末；
步骤2：为制备不同质量分数SrTiO3的光催化材料，将已经制备好的SrTiO3粉末，铋盐和钨酸盐按照1-10:0.5-15的摩尔比溶于去离子水中，SrTiO3质量分数为1-15％，超声搅拌后转移到水热釜中，在120-200℃下持续加热12-36h；反应结束后冷却至室温，用去离子水洗涤，真空干燥即可得到高效光催化材料SrTiO3/Bi2WO6。
优选的，首次将SrTiO3和Bi2WO6经过二次水热的方法形成具有高催化活性的异质结。
优选的，铋盐为Bi(NO3)3·5H2O、NaBiO3·3.5H2O、BiCl3·2H2O中的一种，钨酸盐为Na2WO4·2H2O、(NH4)10W12O41·5H2O中的一种。
本发明还提供了由上述方法制成的高效光催化材料SrTiO3/Bi2WO6的应用，该光催化剂材料在可见光下具有光催化活性可用于降解有机染料废水，SrTiO3的质量分数能影响催化活性。
有益效果：
本发明与现有的光催化降解废水材料相比，具有以下优点：
1.本发明的原料廉价易得，反应条件温和，绿色环保无二次污染，能有效地利用太阳能，适合大规模生产。
2.本发明中的新型光催化剂降解效率高，催化活性好，能有效地代替贵金属催化剂。
3.本发明制备的SrTiO3/Bi2WO6高效光催化剂属于异质结范畴，通过调节SrTiO3的质量分数，抑制Bi2WO6中电子和空穴的复合，从而有效地提高其光催化降解有机染料的效率。
具体实施方式
本发明涉及一种光催化剂SrTiO3/Bi2WO6的制备及应用。本发明用于解决可见光下光催化降解效率低、催化剂不稳定、以及光生电子和空穴复合等问题。该催化剂是由SrTiO3和Bi2WO6经过二次水热法形成异质结，从而提高催化活性，其制备方法如下：在超声搅拌的条件下将NaOH加入到TiCl4和Sr(OH)2·8H2O的混合溶液中，然后将得到的前驱体置于水热釜中加热，产物经洗涤干燥后得到纳米级SrTiO3；将SrTiO3溶于铋盐溶液后，与钨酸盐溶液混合，超声搅拌后置于水热釜内加热，产物经洗涤干燥后就可以得到SrTiO3/Bi2WO6光催化材料。本发明制备的催化剂材料生产方法简单，光催化活性高，性能稳定，价格低廉，并且可以降解罗丹明B和具有其他显色基团的有机染料，在含有机染料废水处理领域具有广泛的应用前景。
本发明提供了高效光催化材料SrTiO3/Bi2WO6的制备方法，所述的光催化剂为SrTiO3和Bi2WO6是经过二次水热法形成的异质结催化剂，该方法制备的Bi2WO6是片层状的纳米颗粒，该制备方法包括以下步骤：
步骤1：将TiCl4和Sr(OH)2·8H2O按1-5:1-10的摩尔比溶解，然后逐滴加入11-15mL5mol/L的NaOH溶液，搅拌均匀后置于水热釜中，在120-180℃下加热24-48h，冷却至室温，用去离子水洗涤，真空干燥即可得到纳米级的SrTiO3粉末；
步骤2：为制备不同质量分数SrTiO3的光催化材料，将已经制备好的SrTiO3粉末，铋盐和钨酸盐按照1-10:0.5-15的摩尔比溶于去离子水中，SrTiO3质量分数为1-15％，超声搅拌后转移到水热釜中，在120-200℃下持续加热12-36h；反应结束后冷却至室温，用去离子水洗涤，真空干燥即可得到高效光催化材料SrTiO3/Bi2WO6。
首次将SrTiO3和Bi2WO6经过二次水热的方法形成具有高催化活性的异质结。
铋盐为Bi(NO3)3·5H2O、NaBiO3·3.5H2O、BiCl3·2H2O中的一种，钨酸盐为Na2WO4·2H2O、(NH4)10W12O41·5H2O中的一种。
本发明还提供了一种由上述方法制成的高效光催化材料SrTiO3/Bi2WO6的应用，该光催化剂材料在可见光下具有光催化活性可用于降解有机染料废水，SrTiO3的质量分数能影响催化活性。
本发明的高效光催化材料可以在可见光下降解有机染料。
该催化材料中的SrTiO3质量分数能影响其光催化降解有机染料的效率，当SrTiO3质量分数为8％时，降解效率为最佳，可以在75min时降解率高达98％。
实施例1：
将1.1mL的TiCl4和2.68g的Sr(OH)2·8H2O溶于40mL的去离子水中，逐滴加入13mL的5mol/LNaOH溶液，搅拌后转移至水热釜中，150℃下加热36h，反应结束后冷却至室温，用去离子水洗涤，在80℃下真空干燥3h，即可得到SrTiO3粉末；称取0.1635gSrTiO3溶于40mL去离子水中，超声搅拌后加入4.8853gBi(NO3)3·5H2O继续搅拌，将1.6621gNa2WO4·2H2O溶于20mL去离子水，再逐滴加入至上述前驱体液中，然后转移至水热釜中，在180℃下加热12h；反应结束冷却至室温，用去离子水洗涤，80℃下真空干燥即可得到产物。将0.2g的SrTiO3/Bi2WO6催化剂分散至30mg/L的甲基橙溶液中，剧烈搅拌30min后，经过90min的可见光氙灯照射，用分光光度计测得其吸光度并计算出降解率为83.18％。
实施例2：
将2.0mL的TiCl4和2.71g的Sr(OH)2·8H2O溶于40mL的去离子水中，并逐滴加入14mL的5mol/LNaOH溶液，搅拌后转移至水热釜中，160℃下加热48h，反应结束后冷却至室温，用去离子水洗涤，在80℃下真空干燥3h，即可得到SrTiO3粉末；称取0.1063gSrTiO3溶于40mL去离子水中，超声搅拌后加入4.9133gBi(NO3)3·5H2O继续搅拌，将1.6592g(NH4)10W12O41·5H2O溶于20mL去离子水后，再逐滴加入至上述前驱体液中，然后转移至水热釜中，在180℃下加热20h；反应结束后冷却至室温，用去离子水洗涤，80℃下真空干燥3h即可得到产物。将0.2g的SrTiO3/Bi2WO6催化剂分散至30mg/L的罗丹明B溶液中，剧烈搅拌30min后，经过60min的可见光氙灯照射，用分光光度计测得其吸光度并计算出降解率为83.71％。
实施例3：
将1.8mL的TiCl4和2.67g的Sr(OH)2·8H2O溶于40mL的去离子水中，并逐滴加入15mL的5mol/LNaOH溶液，搅拌后转移至水热釜中，在170℃下加热36h，反应结束后冷却至室温，用去离子水洗涤，在80℃下真空干燥3h，即可得到SrTiO3粉末；称取0.1749gSrTiO3溶于40mL去离子水中，超声搅拌后加入4.8936gBi(Cl)3·2H2O继续搅拌，将1.6567gNa2WO4·2H2O溶于20mL去离子水后，再逐滴加入至上述前驱体液中，然后转移至水热釜中，在200℃下加热15h；反应结束后冷却至室温，用去离子水洗涤，80℃下真空干燥4h即可得到产物。将0.2g的SrTiO3/Bi2WO6催化剂分散至30mg/L的亚甲基蓝溶液中，剧烈搅拌30min后，经过50min的可见光氙灯照射，用分光光度计测得其吸光度并计算出降解率为87.54％。
实施例4：
将3.1mL的TiCl4和2.75g的Sr(OH)2·8H2O溶于40mL的去离子水中，并逐滴加入14mL的5mol/LNaOH溶液，搅拌后转移至水热釜中，在180℃下加热48h，反应结束后冷却至室温，用去离子水洗涤，在80℃下真空干燥3h，即可得到SrTiO3粉末；称取0.2792gSrTiO3溶于40mL去离子水中，超声搅拌加入4.9003gBi(NO3)3·5H2O，继续搅拌，将1.6606gNa2WO4·2H2O溶于20mL去离子水后，再逐滴加入至上述前驱体液中，然后转移至水热釜中，在200℃下加热20h；反应结束后冷却至室温，用去离子水洗涤，80℃下真空干燥3h即可得到产物。将0.2g的SrTiO3/Bi2WO6催化剂分散至30mg/L的罗丹明B溶液中，剧烈搅拌30min后，经过75min的可见光氙灯照射，用分光光度计测得其吸光度并计算出降解率为98％。
实施例5：
将2.3mL的TiCl4和2.77g的Sr(OH)2·8H2O溶于40mL的去离子水中，并逐滴加入12mL的5mol/LNaOH溶液，搅拌后转移至水热釜中，在180℃下加热48h，反应结束后冷却至室温，用去离子水洗涤，在80℃下真空干燥3h即可得到SrTiO3粉末；称取0.3497gSrTiO3溶于40mL去离子水中，超声搅拌后加入4.8894gBi(NO3)3·5H2O继续搅拌，将1.4754g(NH4)10W12O41·5H2O溶于20mL去离子水后，再逐滴加入至上述前驱体液中，然后转移至水热釜中，在180℃下加热24h；反应结束后冷却至室温，用去离子水洗涤，80℃下真空干燥3.5h即可得到产物。将0.2g的SrTiO3/Bi2WO6催化剂分散至30mg/L的甲基橙溶液中，剧烈搅拌30min后，经过45min的可见光氙灯照射，用分光光度计测得其吸光度并计算出降解率为82.33％。
实施例6：
将3.0mL的TiCl4和2.72g的Sr(OH)2·8H2O溶于40mL的去离子水中，逐滴加入12mL的5mol/LNaOH溶液，搅拌后转移至水热釜中，在140℃下加热48h，反应结束后冷却至室温，用去离子水洗涤，在80℃下真空干燥3h即可得到SrTiO3粉末；称取0.5235gSrTiO3溶于40mL去离子水中，超声搅拌加入4.8951gNaBiO3·3.5H2O，将1.6892gNa2WO4·2H2O溶于20mL去离子水后，再逐滴加入至上述前驱体液中，然后转移至水热釜中，在200℃下加热26h；反应结束后冷却至室温，用去离子水洗涤，80℃下真空干燥4h即可得到产物。将0.2g的SrTiO3/Bi2WO6催化剂分散至30mg/L的亚甲基蓝溶液中，剧烈搅拌30min后，经过60min的可见光氙灯照射，用分光光度计测得其吸光度并计算出降解率为86.56％。

Claims (4)

1.一种高效光催化材料SrTiO3/Bi2WO6的制备方法，其特征在于：所述的光催化剂为SrTiO3和Bi2WO6是经过二次水热法形成的异质结催化剂，该方法制备的Bi2WO6是片层状的纳米颗粒，该制备方法包括以下步骤：
步骤1：将TiCl4和Sr(OH)2·8H2O按1-5:1-10的摩尔比溶解，然后逐滴加入11-15mL5mol/L的NaOH溶液，搅拌均匀后置于水热釜中，在120-180℃下加热24-48h，冷却至室温，用去离子水洗涤，真空干燥即可得到纳米级的SrTiO3粉末；
步骤2：为制备不同质量分数SrTiO3/Bi2WO6的光催化材料，将已经制备好的SrTiO3粉末，铋盐和钨酸盐按照1-10:0.5-15的摩尔比溶于去离子水中，SrTiO3质量分数为1-15％，超声搅拌后转移到水热釜中，在120-200℃下持续加热12-36h；反应结束后冷却至室温，用去离子水洗涤，真空干燥即可得到高效光催化材料SrTiO3/Bi2WO6。
2.根据权利要求1所述的高效光催化材料SrTiO3/Bi2WO6的制备方法，其特征在于：首次将SrTiO3和Bi2WO6经过二次水热的方法形成具有高催化活性的异质结。
3.根据权利要求1所述的高效光催化材料SrTiO3/Bi2WO6的制备方法，其特征在于：铋盐为Bi(NO3)3·5H2O、NaBiO3·3.5H2O、BiCl3·2H2O中的一种，钨酸盐为Na2WO4·2H2O、(NH4)10W12O41·5H2O中的一种。
4.由权利要求1或2或3方法制成的高效光催化材料SrTiO3/Bi2WO6的应用，其特征在于：该光催化剂材料在可见光下具有光催化活性可用于降解有机染料废水，SrTiO3的质量分数能影响催化活性。
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