CN105772045A - 一种BiPO4-ZnFe2O4复合光催化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种BiPO4‑ZnFe2O4复合光催化剂及其制备方法，属于无机环保光催化材料技术领域。本发明的技术方案要点为：（1）将氯化锌和九水合硝酸铁按摩尔比1:2溶于去离子水中形成混合溶液，再用氨水调节混合溶液的pH值为10，将混合溶液转移至水热反应釜并放入微波消解仪中于180‑200℃微波反应10‑30min，待反应结束冷却至常温后经离心、洗涤、干燥得到ZnFe2O4粉体；（2）配制硝酸铋水溶液，加入二水合磷酸二氢钠和ZnFe2O4粉体形成混合溶液；（3）将混合溶液转移至水热反应釜并放入微波消解仪中于180℃微波反应10‑30min，冷却至常温后经离心、洗涤、干燥制得磁性BiPO4‑ZnFe2O4复合光催化剂。本发明制得的复合光催化剂具有较高的可见光利用率和光催化活性，并且具有磁性便于回收再生循环使用。
Description
技术领域
本发明属于无机环保光催化材料技术领域，具体涉及一种BiPO4-ZnFe2O4复合光催化剂及其制备方法。
背景技术
半导体光催化技术由于在环境修复和有机废水处理中的潜在应用而备受关注。常用的TiO2光催化剂具有结构稳定、无毒、廉价等优点，但是存在太阳能转换效率低和光生电子-空穴对复合率高等缺点。
BiPO4是一类新型高效的光催化剂，可表现出比TiO2更优越的光催化活性，但由于BiPO4是宽带隙（3.93eV）光催化剂，其对可见光的利用率较低，因此对BiPO4及其复合结构进行调控以提高BiPO4的太阳能转换效率和光量子效率成为近年来的研究热点。锌铁氧体(ZnFe2O4)是一个典型的铁氧体尖晶石(AB2O4)，拥有广泛的应用和磁特性、电特性、催化活性和气敏特性等本质属性，ZnFe2O4的禁带宽度较窄，其禁带宽度约为1.9eV，其独特的晶体结构和电子结构使其具有较宽的吸收带隙和较高的光催化活性。然而，目前尚没有相关文献关于BiPO4-ZnFe2O4复合光催化剂的报道。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种光量子效率高、易于回收、可见光吸收和光催化活性好的磁性BiPO4-ZnFe2O4复合光催化剂。
本发明解决的另一个技术问题是提供了一种简单易行且环境友好的BiPO4-ZnFe2O4复合光催化剂的制备方法。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种BiPO4-ZnFe2O4复合光催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：（1）在搅拌条件下将氯化锌和九水合硝酸铁按摩尔比1:2溶于去离子水中形成氯化锌与九水合硝酸铁的混合溶液，再用氨水调节混合溶液的pH值为10，在室温条件下将混合溶液搅拌1h后转移至水热反应釜，然后将水热反应釜放入微波消解仪中于180-200℃微波反应10-30min，待反应结束冷却至常温后经离心、洗涤、干燥得到ZnFe2O4粉体；（2）以硝酸铋和去离子水为原料配制硝酸铋水溶液，在搅拌条件下向硝酸铋水溶液加入二水合磷酸二氢钠和步骤（1）得到的ZnFe2O4粉体形成混合溶液，其中所加二水合磷酸二氢钠与硝酸铋的摩尔比为1:1，所加ZnFe2O4粉体与硝酸铋的摩尔比为0.5-2:1；（3）在室温条件下将步骤（2）得到的混合溶液搅拌1h后转移至水热反应釜，然后将水热反应釜放入微波消解仪中于180℃微波反应10-30min，待反应结束冷却至常温后经离心、洗涤、干燥制得磁性BiPO4-ZnFe2O4复合光催化剂。
进一步优选，步骤（1）的氯化锌与九水合硝酸铁的混合溶液中氯化锌的摩尔浓度为0.05-0.2mol/L。
进一步优选，步骤（2）的硝酸铋水溶液的摩尔浓度为0.1-0.5mol/L。
本发明所述的BiPO4-ZnFe2O4复合光催化剂，是按照上述方法制备得到的。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、为了提高BiPO4的光谱响应范围，将其与具有理想带隙的ZnFe2O4相复合，利用两种半导体之间的能级差能使光生载流子由一种半导体微粒的能级注入到另一种半导体的能级上，使电荷有效分离，有效提高了BiPO4的太阳能利用率和光量子效率；
2、BiPO4光催化剂的导带电势ECB=0.03eV，价带电势EVB=3.96eV，而ZnFe2O4光催化剂的导带电势ECB=-1.5eV，价带电势EVB=0.4eV，在BiPO4-ZnFe2O4复合半导体中，ZnFe2O4的导带电势更负，光生电子容易从能级低的ZnFe2O4导带迁移到能级高的BiPO4导带上，同时BiPO4的价带电势更正，光生空穴容易从能级高的BiPO4价带迁移到能级低的ZnFe2O4价带上，从而提高光生电荷的分离效率，进而提高其光催化性能；
3、ZnFe2O4禁带较窄，能有效拓展BiPO4-ZnFe2O4复合光催化剂对可见光的利用率，进而有效提高光的利用率和光催化活性；
4、ZnFe2O4本身具有磁性，ZnFe2O4与BiPO4的复合使BiPO4-ZnFe2O4复合光催化剂也具有磁性，利用磁分离技术可将其从废水处理体系中快速分离出，解决了光催化剂使用后难以回收的难题，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为300W汞灯照射下，本发明实施例2制得的BiPO4-ZnFe2O4复合光催化剂和纯BiPO4光催剂对罗丹明B的降解对比曲线图（操作条件：催化剂的量：0.1g；罗丹明B的质量浓度：5mg/L）。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
（1）在搅拌条件下将物质的量为0.005mol的氯化锌和物质的量为0.01mol的九水合硝酸铁与去离子水混合配成100mL氯化锌与九水合硝酸铁的混合溶液，用氨水调节混合溶液的pH值为10，在室温条件下将混合溶液搅拌1h后转移至水热反应釜，然后将水热反应釜放入微波消解仪中于180℃微波反应30min，待反应结束冷却至常温后经离心、洗涤、干燥得到ZnFe2O4粉体；
（2）配制摩尔浓度为0.1mol/L的硝酸铋水溶液100mL，在搅拌条件下向硝酸铋水溶液中加入物质的量为0.01mol的二水合磷酸二氢钠和物质的量为0.005mol的步骤（1）得到的ZnFe2O4粉体形成混合溶液；
（3）在室温条件下将步骤（2）得到的混合溶液搅拌1h后转移至水热反应釜，然后将水热反应釜放入微波消解仪中于180℃微波反应10min，待反应结束冷却至常温后经离心、洗涤、干燥制得具有高催化活性的磁性BiPO4-ZnFe2O4复合光催化剂。
实施例2
（1）在搅拌条件下将物质的量为0.01mol的氯化锌和物质的量为0.02 mol的九水合硝酸铁与去离子水混合配成100mL氯化锌与九水合硝酸铁的混合溶液，用氨水调节混合溶液的pH值为10，在室温条件下将混合溶液搅拌1h后转移至水热反应釜，然后将水热反应釜放入微波消解仪中于190℃微波反应20min，待反应结束冷却至常温后经离心、洗涤、干燥得到ZnFe2O4粉体；
（2）配制摩尔浓度为0.2mol/L的硝酸铋水溶液100mL，在搅拌条件下向硝酸铋水溶液加入物质的量为0.02mol的二水合磷酸二氢钠和物质的量为0.02mol步骤（1）得到的ZnFe2O4粉体形成混合溶液；
（3）在室温条件下将步骤（2）得到的混合溶液搅拌1h后转移至水热反应釜，然后将水热反应釜放入微波消解仪中于180℃微波反应20min，待反应结束冷却至常温后经离心、洗涤、干燥制得具有高催化活性的磁性BiPO4-ZnFe2O4复合光催化剂。
图1是300W汞灯照射下，本实施例制得的BiPO4-ZnFe2O4复合光催化剂和纯BiPO4光催剂对罗丹明B的降解对比曲线图，由图可知在模拟可见光的照射下，光照4h后，纯BiPO4光催化剂对罗丹明B的降解率为19%左右，而BiPO4-ZnFe2O4复合光催化剂对罗丹明B的降解率可达到91%左右，表现出明显增强的光催化活性。
实施例3
（1）在搅拌条件下将物质的量为0.02mol的氯化锌和物质的量为0.04mol的九水合硝酸铁与去离子水混合配成100mL氯化锌与九水合硝酸铁的混合溶液，用氨水调节溶液的pH值为10，在室温条件下将混合溶液搅拌1h后转移至水热反应釜，然后将水热反应釜放入微波消解仪中于200℃微波反应10min，待反应结束冷却至常温后经离心、洗涤、干燥得到ZnFe2O4粉体；
（2）配制摩尔浓度为0.5mol/L的硝酸铋水溶液100mL，在搅拌条件下向硝酸铋水溶液中加入物质的量为0.05mol的二水合磷酸二氢钠和物质的量为0.1mol步骤（1）得到的ZnFe2O4粉体形成混合溶液；
（3）在室温条件下将步骤（2）得到的混合溶液搅拌1h后转移至水热反应釜，然后将水热反应釜放入微波消解仪中于180℃微波反应30min，待反应结束冷却至常温后经离心、洗涤、干燥制得具有高催化活性的磁性BiPO4-ZnFe2O4复合光催化剂。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。
Claims (4)
1.一种BiPO4-ZnFe2O4复合光催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：（1）在搅拌条件下将氯化锌和九水合硝酸铁按摩尔比1:2溶于去离子水中形成氯化锌与九水合硝酸铁的混合溶液，再用氨水调节混合溶液的pH值为10，在室温条件下将混合溶液搅拌1h后转移至水热反应釜，然后将水热反应釜放入微波消解仪中于180-200℃微波反应10-30min，待反应结束冷却至常温后经离心、洗涤、干燥得到ZnFe2O4粉体；（2）以硝酸铋和去离子水为原料配制硝酸铋水溶液，在搅拌条件下向硝酸铋水溶液加入二水合磷酸二氢钠和步骤（1）得到的ZnFe2O4粉体形成混合溶液，其中所加二水合磷酸二氢钠与硝酸铋的摩尔比为1:1，所加ZnFe2O4粉体与硝酸铋的摩尔比为0.5-2:1；（3）在室温条件下将步骤（2）得到的混合溶液搅拌1h后转移至水热反应釜，然后将水热反应釜放入微波消解仪中于180℃微波反应10-30min，待反应结束冷却至常温后经离心、洗涤、干燥制得磁性BiPO4-ZnFe2O4复合光催化剂。
2.根据权利要求1所述的BiPO4-ZnFe2O4复合光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（1）的氯化锌与九水合硝酸铁的混合溶液中氯化锌的摩尔浓度为0.05-0.2mol/L。
3. 根据权利要求1所述的BiPO4-ZnFe2O4复合光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（2）的硝酸铋水溶液的摩尔浓度为0.1-0.5mol/L。
4. 一种BiPO4-ZnFe2O4复合光催化剂，其特征在于是按照权利要求1-3中任意一项所述的方法制备得到的。
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