CN105836799B - 一种调控溴氧铋暴露晶面的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种调控溴氧铋暴露晶面的方法，包括如下步骤：将硝酸铋溶解于甘露醇水溶液中，然后加入溴化钠水溶液，进行超声分散，得到均匀的白色悬浊液；将所得白色悬浊液转入密闭的反应釜中，加热进行恒温反应，反应结束后，进行离心分离、洗涤和干燥，得不同暴露晶面的溴氧铋纳米材料。本发明通过调控恒温反应时间，可以得到不同暴露晶面的溴氧铋纳米材料，且涉及的工艺简单，无需添加强酸或强碱，对不同暴露晶面的调控只需控制反应时间即可完成，环境友好，有利于实现规模化生产。

Description

一种调控溴氧铋暴露晶面的方法
技术领域
本发明属于化学化工和功能材料的技术领域，具体涉及一种调控溴氧铋暴露晶面的方法。
背景技术
半导体光催化剂由于在能源转换和环境治理方面的广泛应用，从而引起国内外研究者越来越多的研究兴趣。但是，半导体光催化材料催化效率低下一直制约着光催化从基础研究走向工业化应用。众所周知，光催化反应是发生在半导体材料的表面，因此，光催化剂的表面原子组成与空间分布对光催化活性的影响起着决定性的作用，而不同的表面原子排布与材料的晶面暴露直接相关。因此合成具有高活性晶面暴露的光催化材料对研究催化反应历程，提升催化反应效率具有至关重要的意义。
自2008年，Lu课题组基于理论计算得出当F吸附在二氧化钛(001)晶面时会显著降低其表面能量，并且利用F-的溶液中水热合成出47％(001)晶面的二氧化钛，晶面调控的研究开始引起科研人员的关注。但是，在晶体生长过程中，由于表面能最小化而导致最高反应活性的表面暴露迅速减少，因此，开发一种能够简易调控不同暴露晶面光催化剂的方法成为亟待解决的难题。
卤氧铋是一种优异的光催化剂，特别是其在可见光下具有催化效果而引起了研究者的广泛兴趣。近年来关于调控卤氧铋光催化剂暴露晶面的文献已有报道。如Zhang等人(Journal of American Chemical Society,2012,134,4473-4476)制备了不同暴露晶面的氯氧铋，以五水硝酸铋和氯化钠水溶液为前驱体，采用水热法在160℃下反应24h，通过氢氧化钠调控反应溶液的pH值得到主要暴露晶面分别为(001)和(010)的氯氧铋。Po等人(Journal of Materials Chemistry A,2015,3,15148-15155)也报道了以五水硝酸铋和溴化钾为原料，通过氢氧化钠调节溶剂的pH值合成主要暴露晶面分别为(001)和(010)的溴氧铋的方法。其具体方法是，将五水硝酸铋溶解在0.01mol/L的硝酸中，然后与溴化钾溶液混合，在160℃的条件下反应12h得到(001)暴露晶面的溴氧铋纳米片，当把溶液pH值用氢氧化钠溶液调至6的时候，再在相同条件下反应12h得到(010)暴露晶面的溴氧铋纳米片。由于该制备过程中使用了强酸和强碱，会产生大量的废水，造成环境污染。因此，我们亟需寻找一种更加绿色环保的方法来调控溴氧铋的暴露晶面。
发明内容
本针对目前技术存在的不足，本发明的目的是提供一种绿色环保的方法来调控溴氧铋的暴露晶面，该方法采用甘露醇水溶液作为反应溶剂，无需加入强酸和强碱，仅需控制反应时间就能得到不同暴露晶面的溴氧铋。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种调控溴氧铋暴露晶面的方法，包括如下步骤：
1)将硝酸铋溶解于甘露醇水溶液中，然后加入溴化钠水溶液，进行超声分散，得均匀的白色悬浊液；
2)将所得白色悬浊液转入密闭的反应釜中，加热至180～200℃恒温反应3～24h，反应结束后，将所得产物进行离心分离、洗涤和干燥，通过调控恒温反应时间，可以得到不同暴露晶面的溴氧铋纳米片状材料。
上述方案中，步骤2)中所述恒温反应时间为3～6h时，得主要暴露晶面为(001)的溴氧铋纳米片状材料。
上述方案中，步骤2)中所述恒温反应时间为12～24h时，得主要暴露晶面为(010)的溴氧铋纳米片状材料。
上述方案中，步骤2)所述恒温反应时间大于6h小于12h时，可实现由(001)晶面向(010)晶面的转化过程，所得溴化钠纳米片状材料的暴露晶面为(001)晶面和(010)晶面二者共存。
上述方案中，所述硝酸铋与溴化钠的添加量分别以其引入的铋离子和溴离子为准，其中铋离子与溴离子的摩尔比为1:1。
上述方案中，所述甘露醇水溶液的浓度为0.1～0.5mol/L。
上述方案中，所述硝酸铋与甘露醇的摩尔比为1:(1.25～12.5)。
本发明通过控制恒温反应时间来调控溴氧铋的暴露晶面，反应机理为：硝酸铋在甘露醇水溶液中水解出铋氧正离子(BiO+)，铋氧正离子(BiO+)与溴离子(Br-)成核得到溴氧铋晶核，然后甘露醇分子与溴氧铋终端氧原子发生反应，反应过程中，溶剂甘露醇会发生一系列的分子与分子之间的缩合反应或者分子内的缩合反应，从而导致溶剂的粘度以及pH值等物理化学性质发生改变，并随着反应时间的延长，使得溴氧铋晶核的表面能发生改变，而表面能的高低决定着晶面的暴露，从而得到不同暴露晶面的溴氧铋材料。
本发明的有益效果为：本发明通过在硝酸铋和溴化钠的反应过程中，加入甘露醇作为反应溶剂并通过反应时间来调控所得溴氧铋的暴露晶面，控制方法简单，无需额外添加酸碱或想溶剂中添加特定离子，且产量高、重复性好，适合推广应用。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的BiOBr纳米材料的XRD谱图。
图2为本发明实施例1制备的BiOBr纳米材料的HRTEM图。
图3为本发明实施例5制备的BiOBr纳米材料的XRD谱图。
图4为本发明实施例5制备的BiOBr纳米材料的HRTEM图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明做进一步描述，本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
实施例1
一种调控溴氧铋暴露晶面的方法，包括如下步骤：
1)将1mmol五水硝酸铋超声溶解于25mL浓度为0.1mol/L的甘露醇水溶液中，然后加入10ml浓度为0.1mol/L溴化钠水溶液，进行超声分散，得到均匀的白色悬浊液；
2)将所得白色悬浊液转移至密闭的反应釜中，加热至180℃恒温反应3h，反应结束后，进行离心分离、洗涤(用纯水和乙醇洗涤)和烘干(60℃)，得最终产物(BiOBr纳米材料)。
将本实施例所得产物进行X射线衍射分析，从图1中可以看出，所得产物与标准卡片(BiOBr，JCPDS 73-2061)完全吻合，无杂质峰，说明合成的物质即为溴氧铋，且峰型较尖锐，说明产物结晶性良好。图2为本发明所得产物的HRTEM图，从图中可以清晰地看出晶格条纹，根据晶带轴方程计算得出在本实施例所述条件下合成的溴氧铋材料的主要暴露晶面为(001)面。
实施例2
一种调控溴氧铋暴露晶面的方法，包括如下步骤：
1)将1mmol五水硝酸铋超声溶解于25mL浓度为0.5mol/L的甘露醇水溶液中，然后加入10ml浓度为0.1mol/L溴化钠水溶液，进行超声分散，得到均匀的白色悬浊液；
2)将所得白色悬浊液转移至密闭的反应釜中，加热至200℃恒温反应6h，反应结束后，进行离心分离、洗涤(用纯水和乙醇洗涤)和烘干(60℃)，得BiOBr纳米材料。
测试结果表明，本实施例所得BiOBr纳米材料的主要暴露晶面为(001)面。
实施例3
一种调控溴氧铋暴露晶面的方法，包括如下步骤：
1)将2mmol五水硝酸铋超声溶解于25mL浓度为0.1mol/L的甘露醇水溶液中，然后加入4ml浓度为0.5mol/L溴化钠水溶液，进行超声分散，得到均匀的白色悬浊液；
2)将所得白色悬浊液转移至密闭的反应釜中，加热至180℃恒温反应6h，反应结束后，进行离心分离、洗涤(用纯水和乙醇洗涤)和烘干(60℃)，得BiOBr纳米材料。
试测结果表明，本实施例所得BiOBr纳米材料的主要暴露晶面为(001)面。
实施例4
一种调控溴氧铋暴露晶面的方法，包括如下步骤：
1)将5mmol五水硝酸铋超声溶解于25mL浓度为0.3mol/L的甘露醇水溶液中，然后加入50ml浓度为0.1mol/L溴化钠水溶液，进行超声分散，得到均匀的白色悬浊液；
2)将所得白色悬浊液转移至密闭的反应釜中，加热至180℃恒温反应6h，反应结束后，进行离心分离、洗涤(用纯水和乙醇洗涤)和烘干(60℃)，得BiOBr纳米片状材料。
试测结果表明，本实施例所得BiOBr纳米材料的主要暴露晶面为(001)面。
实施例5
一种调控溴氧铋暴露晶面的方法，包括如下步骤：
1)将1mmol五水硝酸铋超声溶解于25mL浓度为0.1mol/L的甘露醇水溶液中，然后加入10ml浓度为0.1mol/L溴化钠水溶液，进行超声分散，得到均匀的白色悬浊液；
2)将所得白色悬浊液转移至密闭的反应釜中，加热至180℃恒温反应12h，反应结束后，进行离心分离、洗涤(用纯水和乙醇洗涤)和烘干(60℃)，得最终产物(BiOBr纳米材料)。
将本实施例所得产物进行X射线衍射分析，从图3中可以看出，所得产物与标准卡片(BiOBr，JCPDS 73-2061)完全吻合，无杂质峰，说明所得产物为溴氧铋，且峰型较尖锐，说明产物结晶性良好。图4为本发明所得产物的HRTEM图，从图中可以清晰地看出晶格条纹，根据晶带轴方程计算得出在本实施例所述条件下合成的溴氧铋材料的主要暴露晶面为(010)面。
实施例6
一种调控溴氧铋暴露晶面的方法，包括如下步骤：
1)将1mmol五水硝酸铋超声溶解于25mL浓度为0.5mol/L的甘露醇水溶液中，然后加入10ml浓度为0.1mol/L溴化钠水溶液，进行超声分散，得到均匀的白色悬浊液；
2)将所得白色悬浊液转移至密闭的反应釜中，加热至180℃恒温反应18h，反应结束后，进行离心分离、洗涤(用纯水和乙醇洗涤)和烘干(60℃)，得BiOBr纳米片状材料。
测试结果表明，本实施例所得BiOBr纳米材料的主要暴露晶面为(010)面。
实施例7
一种调控溴氧铋暴露晶面的方法，包括如下步骤：
1)将2mmol五水硝酸铋超声溶解于25mL浓度为0.1mol/L的甘露醇水溶液中，然后加入30ml浓度为0.1mol/L溴化钠水溶液，进行超声分散，得到均匀的白色悬浊液；
2)将所得白色悬浊液转移至密闭的反应釜中，加热至200℃恒温反应12h，反应结束后，进行离心分离、洗涤(用纯水和乙醇洗涤)和烘干(60℃)，得BiOBr纳米片状材料。
测试结果表明，本实施例所得BiOBr纳米材料的主要暴露晶面为(010)面。
实施例8
一种调控溴氧铋暴露晶面的方法，包括如下步骤：
1)将5mmol五水硝酸铋超声溶解于25mL浓度为0.3mol/L的甘露醇水溶液中，然后加入10ml浓度为0.5mol/L溴化钠水溶液，进行超声分散，得到均匀的白色悬浊液；
2)将所得白色悬浊液转移至密闭的反应釜中，加热至180℃恒温反应24h，反应结束后，进行离心分离、洗涤(用纯水和乙醇洗涤)和烘干(60℃)，得BiOBr纳米片状材料。
测试结果表明，本实施例所得BiOBr纳米材料的主要暴露晶面为(010)面。
以上内容是结合具体实施例对本发明所作的进一步说明，不能认定本发明的范围只局限于这些说明。在不脱离本发明构思的前提下，所做出若干推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种调控溴氧铋暴露晶面的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将硝酸铋溶解于甘露醇水溶液中，然后加入溴化钠水溶液，进行超声分散，得均匀的白色悬浊液；
2)将所得白色悬浊液转入密闭的反应釜中，加热至180～200℃恒温反应3～24h，反应结束后，将所得产物进行离心分离、洗涤和干燥，通过调控恒温反应时间，可以得到不同暴露晶面的溴氧铋纳米片状材料；
所述硝酸铋与甘露醇的摩尔比为1:(1.25～12.5)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中所述恒温反应时间为3～6h，得主要暴露晶面为(001)面的溴氧铋纳米片状材料。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中所述恒温反应时间为12～24h，得主要暴露晶面为(010)面的溴氧铋纳米片状材料。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硝酸铋与溴化钠的添加量分别以其引入的铋离子和溴离子为准，其中铋离子与溴离子的摩尔比为1:1。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述甘露醇水溶液的浓度为0.1～0.5mol/L。
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