CN105833860A - 一种CQDs/Bi2WO6复合光催化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳量子点(CQDs)/Bi2WO6复合光催化剂及其制备方法，该CQDs/Bi2WO6复合光催化剂由纳米尺寸的片状Bi2WO6和纳米颗粒的CQDs组成，且CQDs纳米颗粒分布在纳米尺寸的片状Bi2WO6上，其制备方法为将Bi(NO3)3·5H2O和Na2WO4·2H2O的水溶液混合，得到白色悬浮液；将CQDs水溶液加入白色悬浮液中，然后转移到水热釜中，反应所得的产物依次用无水乙醇和去离子水洗涤，控制温度为60℃‑80℃干燥12h，即得CQDs/Bi2WO6复合光催化剂；本发明所提供的复合光催化剂具有较宽的光谱响应范围，较高的载流子分离效率和光催化活性，且制备方法简单，可控性强。
Description
[技术领域]
本发明属于光催化材料技术领域，具体地说是一种碳量子点(CQDs)/Bi2WO6复合光催化剂及其制备方法。
[背景技术]
随着社会的飞速进步以及工业的迅速发展，也给我国带来了严重的环境问题。光催化氧化技术是一种新兴的环境污染治理技术，具有直接利用太阳光将有机污染物彻底矿化、不产生二次污染、成本低、能耗少等优势，因此具有十分广泛的应用前景。为了拓展光催化技术的实际应用，核心在于开发光谱响应范围宽、光催化效率高及实用性强的光催化材料。作为简单的Aurivillius氧化物之一的Bi2WO6，由于具有在可见光下分解水和降解有机污染物的光催化性能而备受关注。然而，Bi2WO6只能利用450nm以下的可见光，这对太阳光的吸收范围有限，而且Bi2WO6的光生载流子复合几率较高，从而限制了它的实际应用。
碳量子点(CQDs)是一种最近几年发展起来的新型碳材料，具有来源广泛、低成本、环境友好等优点。另一方面，具有非常高的发光量子效率。近年来，研究者们发现CQDs具有上转换发光作用，能够吸收近红外甚至红外光，将其转换为短波段的紫外光以及可见光。同时，CQDs还具有很好的电子传递和电子储存能力。因此，将CQDs和Bi2WO6进行复合，一方面能够利用CQDs的上转换发光作用将长波段的红外光转化为短波段的可见光及紫外光，进而激发Bi2WO6，从而拓宽Bi2WO6对太阳光谱的吸收范围，另一方面还能够增加电子空穴对的分离效率，从而带来光催化性能的大幅度提升。因此，CQDs/Bi2WO6复合材料的制备既具有较高的科学价值，又具有对环境污染治理的实际意义。
[发明内容]
本发明的目的就是要解决上述光催化剂中的光谱响应范围窄、光生载流子容易复合等技术问题而提供一种CQDs/Bi2WO6复合光催化剂及其制备方法，该CQDs/Bi2WO6复合光催化剂具有较宽的光谱响应范围，较高的载流子分离效率和光催化活性，且制备方法简单，可控性强，容易实现规模化生产。
为实现上述目的设计一种CQDs/Bi2WO6复合光催化剂，所述CQDs/Bi2WO6复合光催化剂由纳米尺寸的片状Bi2WO6和纳米颗粒的CQDs组成，且CQDs纳米颗粒分布在纳米尺寸的片状Bi2WO6上，按质量百分比计算，纳米颗粒的CQDs：纳米尺寸的片状Bi2WO6为1-10％：90-99％。
作为优选，按质量百分比计算，所述纳米颗粒的CQDs：纳米尺寸的片状Bi2WO6为1％：99％。
作为优选，按质量百分比计算，所述纳米颗粒的CQDs：纳米尺寸的片状Bi2WO6为3％：97％。
作为优选，按质量百分比计算，所述纳米颗粒的CQDs：纳米尺寸的片状Bi2WO6为5％：95％。
作为优选，按质量百分比计算，所述纳米颗粒的CQDs：纳米尺寸的片状Bi2WO6为10％：90％。
上述CQDs/Bi2WO6复合光催化剂的制备方法，包括以下步骤：
1)将Bi(NO3)3·5H2O溶于硝酸中，得到浓度为1mol/L的Bi(NO3)3溶液；将Na2WO4·2H2O溶于去离子水中，得到浓度为0.5mol/L的Na2WO4水溶液；然后按摩尔比计算，即Bi(NO3)3溶液中的Bi3+：Na2WO4水溶液中的WO4 2-为2:1，将Bi(NO3)3溶液与Na2WO4水溶液混合均匀，得到白色悬浮液；
2)将CQDs水溶液加入到步骤1)所得的白色悬浮液中，控制功率为40-100W，频率为20-40KHz进行超声处理，得到灰色悬浮液；
3)将步骤2)所得的灰色悬浮液转移到水热釜中，控制温度为160℃下反应20h，所得的产物依次用无水乙醇和去离子水洗涤，控制温度为60-80℃进行干燥，即得CQDs/Bi2WO6复合光催化剂。
进一步地，步骤2)中，超声处理的时间为30min。
进一步地，步骤3)中，依次用无水乙醇和去离子水洗涤3次后，还包括离心的步骤。
本发明同现有技术相比，该复合光催化剂不仅具有较宽的光谱响应范围，对可见光具有较好的吸收，而且具有较高的载流子分离效率和光催化性能，根据复合材料在10分钟内对罗丹明B的降解率达到97％，而未复合的Bi2WO6在同样的时间对罗丹明B的降解率仅为53.1％，可见CQDs/Bi2WO6复合光催化剂在降解自然条件下难降解的有机污染物方面更有优势，具有应用前景；本发明制备方法无需特殊设备和苛刻条件，工艺简单，可控性强，容易实现规模化生产，具有实用性，值得推广应用。
[附图说明]
图1是实施例1所得的CQDs/Bi2WO6复合光催化剂的XRD衍射谱图；
图2是实施例1所得的CQDs/Bi2WO6复合光催化剂的高分辨电镜照片；
图3是实施例1所得的CQDs/Bi2WO6复合光催化剂和单纯Bi2WO6的漫反射对比图；
图4是以实施例1所得的CQDs/Bi2WO6复合光催化剂与单纯Bi2WO6在氙灯下对罗丹明B的降解曲线对比图。
[具体实施方式]
下面通过具体实施例并结合附图对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。
所用原料：
Bi(NO3)3·5H2O(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)
Na2WO4·2H2O(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)
硝酸(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)
无水乙醇(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)
实施例1
一种CQDs/Bi2WO6复合光催化剂，由纳米尺寸的片状Bi2WO6和纳米颗粒的CQDs组成，且CQDs纳米颗粒分布在纳米尺寸的片状Bi2WO6上，按质量百分比计算，纳米颗粒的CQDs：纳米尺寸的片状Bi2WO6为3％：97％。
上述的CQDs/Bi2WO6复合光催化剂制备方法，具体包括以下步骤：
1)将Bi(NO3)3·5H2O溶于2mL硝酸中，得到浓度为1mol/L的Bi(NO3)3溶液；将Na2WO4·2H2O溶于去离子水中，得到浓度为0.5mol/L的Na2WO4水溶液；然后按摩尔比计算，即Bi(NO3)3溶液中的Bi3+：Na2WO4水溶液中的WO4 2-为2:1的比例，将Bi(NO3)3溶液和Na2WO4水溶液混合均匀，得到白色悬浮液；
2)将CQDs水溶液加入到步骤1)所得的白色悬浮液中，控制功率为40-100W，频率为20-40KHz进行超声处理30min，得到灰色悬浮液；
3)将步骤2)所得的灰色悬浮液转移到水热釜中，控制温度为160℃下反应20h，所得的产物依次用无水乙醇和去离子水洗涤3次，然后离心，控制温度为60-80℃进行干燥，即得CQDs/Bi2WO6纳米粉体。
其中，所用的碳量子点是参考文献(J.Am.Chem.Soc.2015,137,6018-6025)制备而得。
采用X射线衍射仪(D/max2200PC，日本理学株式会社)对上述所得的CQDs/Bi2WO6复合光催化剂进行测定，所得的XRD图谱如附图1所示，从附图1中可以看出，所得的CQDs/Bi2WO6复合光催化剂中的Bi2WO6粉体为正交晶系的钨铋矿型结构的Bi2WO6，因CQDs的复合量较少，XRD图谱未表现出其衍射峰。
采用场发射透射电子显微镜(FEI tecnaiG2F30，美国FEI公司)对上述所得的CQDs/Bi2WO6复合光催化剂进行形貌和微结构表征，所得的高分辨透射电镜图如附图2所示，从附图2中可以看出，CQDs纳米颗粒分布在纳米尺寸的片状Bi2WO6上，其中0.321nm和0.272nm分别对应于CQDs的(002)面和Bi2WO6的(200)面的晶面间距。
附图3为本实施例所得的CQDs/Bi2WO6复合光催化剂和单纯Bi2WO6的漫反射对比图。从附图3可以看出，CQDs/Bi2WO6复合光催化剂对光谱的吸收发生了明显的红移，说明CQDs/Bi2WO6复合光催化剂能够更有效地利用太阳光。
为了研究所制备样品的光催化性能，设计模拟太阳光下降解罗丹明B的实验。步骤如下：将0.05g实施例1所得的CQDs/Bi2WO6复合光催化剂加入到50mL浓度为10-5mol/L的罗丹明B水溶液中，避光搅拌60分钟，以达到吸附平衡，然后置于500W氙灯下照射，检测罗丹明B的吸光度并记录结果；通过紫外可见吸收谱测量罗丹明B溶液在552nm的吸光度，来表征溶液中污染物浓度的变化，进而得出降解率；
检测结果表明：光照开始的前5分钟，CQDs/Bi2WO6复合光催化材料的悬浮液中的罗丹明B颜色很快变浅，直观说明所获得的CQDs/Bi2WO6复合光催化材料具有较高的光催化降解能力。
附图4为本实施例获得的CQDs/Bi2WO6复合光催化材料与单纯Bi2WO6纳米材料在氙灯下对罗丹明B降解率的对比曲线图。由附图4可见：所获得的CQDs/Bi2WO6复合光催化材料在10分钟内对罗丹明B的降解率达到97％，而单纯Bi2WO6同样条件下对罗丹明B的降解率仅为达到53.1％，说明CQDs/Bi2WO6复合光催化材料具有显著的光催化活性。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处仅在于：CQDs和Bi2WO6的质量比为1％：99％，其余内容均与实施例1中所述完全相同。经检测分析得知：本实施例所获得的CQDs/Bi2WO6复合光催化材料在与实施例1获得的复合材料相同条件下对罗丹明B的降解率为70％，比实施例1获得的复合材料性能有所下降。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处仅在于：CQDs和Bi2WO6的质量比为5％：95％，其余内容均与实施例1中所述完全相同。经检测分析得知：本实施例所获得的CQDs/Bi2WO6复合光催化材料在与实施例1获得的复合材料相同条件下对罗丹明B的降解率为94.8％，比实施例1获得的复合材料性能有所下降。
实施例4
本实施例与实施例1的不同之处仅在于：CQDs和Bi2WO6的质量比为10％：90％，其余内容均与实施例1中所述完全相同。经检测分析得知：本实施例所获得的CQDs/Bi2WO6复合光催化材料在与实施例1获得的复合材料相同条件下对罗丹明B的降解率为60.2％，光催化性能较差。
综上所述，本发明提供的一种CQDs/Bi2WO6复合光催化剂，能够很好地吸收太阳光，具有较高的载流子分离效率和光催化活性，可用于降解自然条件下难以降解的染料，具有应用前景；且所述制备方法简单，可控性强，容易实现规模化生产。
本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种CQDs/Bi2WO6复合光催化剂，其特征在于：所述CQDs/Bi2WO6复合光催化剂由纳米尺寸的片状Bi2WO6和纳米颗粒的CQDs组成，且CQDs纳米颗粒分布在纳米尺寸的片状Bi2WO6上，按质量百分比计算，纳米颗粒的CQDs：纳米尺寸的片状Bi2WO6为1-10％：90-99％。
2.如权利要求1所述的CQDs/Bi2WO6复合光催化剂，其特征在于：按质量百分比计算，所述纳米颗粒的CQDs：纳米尺寸的片状Bi2WO6为1％：99％。
3.如权利要求1所述的CQDs/Bi2WO6复合光催化剂，其特征在于：按质量百分比计算，所述纳米颗粒的CQDs：纳米尺寸的片状Bi2WO6为3％：97％。
4.如权利要求1所述的CQDs/Bi2WO6复合光催化剂，其特征在于：按质量百分比计算，所述纳米颗粒的CQDs：纳米尺寸的片状Bi2WO6为5％：95％。
5.如权利要求1所述的CQDs/Bi2WO6复合光催化剂，其特征在于：按质量百分比计算，所述纳米颗粒的CQDs：纳米尺寸的片状Bi2WO6为10％：90％。
6.如权利要求1至5中任一项所述的CQDs/Bi2WO6复合光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将Bi(NO3)3·5H2O溶于硝酸中，得到浓度为1mol/L的Bi(NO3)3溶液；将Na2WO4·2H2O溶于去离子水中，得到浓度为0.5mol/L的Na2WO4水溶液；然后按摩尔比计算，即Bi(NO3)3溶液中的Bi3+：Na2WO4水溶液中的WO4 2-为2:1，将Bi(NO3)3溶液与Na2WO4水溶液混合均匀，得到白色悬浮液；
2)将CQDs水溶液加入到步骤1)所得的白色悬浮液中，控制功率为40-100W，频率为20-40KHz进行超声处理，得到灰色悬浮液；
3)将步骤2)所得的灰色悬浮液转移到水热釜中，控制温度为160℃下反应20h，所得的产物依次用无水乙醇和去离子水洗涤，控制温度为60-80℃进行干燥，即得CQDs/Bi2WO6复合光催化剂。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中，超声处理的时间为30min。
8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤3)中，依次用无水乙醇和去离子水洗涤3次后，还包括离心的步骤。
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