CN107308961B - 一种碘掺杂纳米Bi4O5Br2可见光催化剂、制备方法及其应用 - Google Patents
一种碘掺杂纳米Bi4O5Br2可见光催化剂、制备方法及其应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种碘掺杂纳米Bi4O5Br2可见光催化剂的制备方法，包括如下步骤：1)将铋盐溶解于多元醇中，溶液A中Bi3+的摩尔浓度为0.02～0.1mol/L；2)向溶液A中加入溴盐，溶液B中Bi3+与Br‑的摩尔比为2:1；3)向溶液B中加入碘盐，溶液C中I‑与Br‑的摩尔比为0.2～2:1；4)将溶液C放入微波反应器中进行微波反应2～10分钟，微波反应器的功率为200～800W；5)将反应后的产物经冷却干燥处理，即得碘掺杂纳米可见光催化剂。本发明对Bi4O5Br2进行碘掺杂改性，制备出一种可见光响应能力较强的新型可见光催化剂，以便在实际工业生活中能更好的利用太阳光对环境中有机污染物进行高效降解。
Description
技术领域：
本发明属于半导体光催化材料领域，具体涉及一种碘掺杂纳米Bi4O5Br2可见光催化剂、制备方法及其应用。
背景技术：
在过去很多年里，半导体光催化剂由于其在太阳能转化和环境净化等方面的潜在应用受到了广泛的关注。许多半导体，如TiO2，因为其化学性质稳定、高耐光性、高光敏性、无毒、低价和化学友好性已经广泛应用于光催化和光电化学领域。然而，这种半导体光催化剂的带隙较宽，仅对紫外光领域有响应且光量子效率较低，而在太阳光中，紫外光仅占4％，这严重限制了光催化技术在实际工业和生活上的大规模应用。因此在目前光催化领域，探索具有较高量子效率，较窄带隙的新型可见光催化剂，从而提高太阳光的利用效率至关重要。
卤氧化铋BiOXs(X＝Cl，Br和I)由于其独特的层状结构，可促进光生电子空穴对的分离，从而获得高的量子效率，进而提高光催化效率；通过调节Bi：O：X三者的摩尔比可以获得一系列能带宽度在2.0～3.0eV之间的新型催化剂(BiOXs)，这些催化剂对可见光有响应，能充分利用太阳光能。在BiOXs中，Bi4O5Br2因为其较高的价带边缘电位，当与有机污染物作用时表现出高的氧化能力和高的光生电子空穴对分离能力，因此具有较高的光催化效率。然而，纯相的Bi4O5Br2虽有较好的光催化活性，但其光生电子空穴对的分离效率仍然受到一定限制，因此，发展具有更窄带系和更高光生载流子分离效率的Bi4O5Br2基催化剂仍是一项挑战性的工作。
I与Br的性质接近，而电负性更小，因此如果能够实现部分I取代Bi4O5Br2晶格中的Br，形成一种新型的Bi4O5X2(X＝Br+I，Br和I的比例可调)材料，不但可以实现更好的光吸收(I的电负性比Br小，掺杂后光吸收红移)，而且可以调节半导体材料的价带和导带，使其能带更加分散，光生电子空穴的复合率会降低，催化剂性能得到明显的提高。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种碘掺杂纳米Bi4O5Br2可见光催化剂、制备方法及其应用。本发明采用一种简单快速的微波合成法，对Bi4O5Br2进行碘掺杂改性，以制备出一种带隙较窄，可见光响应能力较强，光量子效率高的新型可见光催化剂，以便在实际工业生活中能更好的利用太阳光对环境中有机污染物进行高效降解。
本发明的第一个目的是提供一种碘掺杂纳米Bi4O5Br2可见光催化剂的制备方法，包括如下步骤：1)将铋盐溶解于多元醇中，得到均匀溶液A，溶液A中Bi3+的摩尔浓度为0.02～0.1 mol/L；2)向溶液A中加入溴盐，搅拌获得均匀溶液B，溶液B中Bi3+与Br-的摩尔比为2:1； 3)向溶液B中加入碘盐，得到溶液C，溶液C中I-与Br-的摩尔比为0.2～2:1；4)将溶液C 放入微波反应器中进行微波反应2～10分钟，微波反应器的功率为200～800W；5)将反应后的产物经冷却干燥处理，即得所述的碘掺杂纳米可见光催化剂。
本发明提出的制备方法简单快速，对设备的要求简单，原料易得，成本低廉，能耗低，适宜规模化生产。
优选，I-与Br-摩尔比为0.7～1:1。
优选，所述的铋盐为硝酸铋，多元醇为乙二醇；所述的溴盐为溴化钾，碘盐为碘化钾。多元醇为有机溶剂，其作用是将铋盐、溴盐和碘盐溶解在该有机溶剂中。
所述的微波反应器的功率为400～600W。
所述的反应后的产物经乙醇和水洗涤后经干燥处理，干燥温度为40℃～100℃。
本发明的第二个目的是提供根据上述的制备方法制备得到的碘掺杂纳米Bi4O5Br2可见光催化剂。
本发明提出的催化剂，在Bi4O5Br2中，部分溴的位置部分被碘取代，I-dopedBi4O5Br2催化剂中，Bi:O:(Br+I)三者的摩尔比为4:5:2，这样的碘掺杂对催化剂起到如下作用：
(1)碘原子部分取代溴原子的位置后，其5p轨道与氧原子的2p轨道杂化后形成新的分子轨道，而Bi4O5Br2的价带基本由溴原子的3p轨道与氧原子的2p轨道杂化构成，碘原子的 5p轨道与氧原子的2p轨道杂化后形成新的分子轨道要比原来溴原子的3p轨道与氧原子的2p 轨道能级高，而Bi4O5Br2的导带高度基本不变，因此缩小了Bi4O5Br2的禁带宽度，加强其对可见光的响应；
(2)掺杂在晶体中引入杂质，造成缺陷，能有效地捕获光生载流子，抑制光生电子-空穴的复合，从而提高Bi4O5Br2的可见光催化活性。
本发明的第三个目的是提供上述的碘掺杂纳米可见光催化剂在可见光下催化降解尼泊金酯类及酚类污染物的应用。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.本发明的碘掺杂Bi4O5Br2可见光催化剂制备方法简便、快速、实验条件温和、成本低、易于大规模生产。
2.本发明所制备的碘掺杂Bi4O5Br2可见光催化剂可广泛应用于各类有机污染物的可见光催化降解，并具有良好的结构稳定性易于回收再利用，经多次循环使用后，其可见光催化降解活性无明显降低，在实际应用时无需反复投料，能够有效节约应用成本。
附图说明
图1是本发明实施例1碘掺杂Bi4O5Br2可见光催化剂的X-射线粉末衍射分析(XRD)谱图；
图2是本发明实施例1碘掺杂Bi4O5Br2可见光催化剂的SEM-EDS图；
图3是本发明实施例1碘掺杂Bi4O5Br2可见光催化剂的紫外可见漫反射(DRS)光谱图；
图4是本发明实施例1碘掺杂Bi4O5Br2可见光催化剂的可见光降解尼泊金丁酯的动力学曲线；
图5是本发明实施例1碘掺杂Bi4O5Br2可见光催化剂的可见光降解尼泊金丁酯的循环使用性能；
图6是本发明实施例1碘掺杂Bi4O5Br2可见光催化剂的可见光降解双酚A的动力学曲线。
具体实施方式：
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
除特别说明，本发明中的实验材料和试剂均为本技术领域常规市购产品。
实施例1：
碘掺杂纳米可见光催化剂的制备方法，包括如下步骤：
1)称取1mmol硝酸铋溶解在50mL乙二醇中，搅拌均匀得到溶液A；
2)向溶液A中加入0.5mmol的溴化钾，得到混合溶液B；
3)向步骤2)获得的混合溶液B中加入0.35mmol碘化钾，充分搅拌溶解，得到溶液C；
4)将步骤3)得到的混合溶液C放入微波反应器中利用400W功率反应4分钟；
5)将微波反应后的混合物冷却至室温后，取出沉淀用去离子水和乙醇洗涤2～3次，然后在60℃干燥12小时，即得到碘掺杂Bi4O5Br2可见光催化剂。
将所得I-doped Bi4O5Br2可见光催化剂进行XRD、SEM-EDS、DRS表征，结果分别见图1至3所示。其中XRD图清楚表明所得催化剂为纯相催化剂且结晶良好，并不存在其它杂质；SEM-EDS图可以看到4种元素包括Bi,O,Br,I均匀地分布在材料表面，即I的掺杂不是局部的，而是全面均匀地进入到材料的晶格中；DRS图表明，掺I后，催化剂的光吸收发生红移，能够吸到更多的可见光，最大吸收边缘达到500nm以上。
使用本发明的碘掺杂Bi4O5Br2在可见光照射下对尼泊金丁酯进行降解试验，结果如图4 所示，本发明的碘掺杂Bi4O5Br2与纯Bi4O5Br2具有更优的可见光降解活性，在可见光照射下， 60分钟内超过95％的污染物被降解；在循环使用3次时，I-doped Bi4O5Br2可见光催化剂活性没有大的改变，基本保持稳定，结果如图5所示。
使用本发明的碘掺杂Bi4O5Br2在可见光照射下对双酚A进行降解试验，结果如图6所示，本发明的碘掺杂Bi4O5Br2与纯Bi4O5Br2具有更优的可见光降解活性，在可见光照射下，60分钟内超过96％的污染物被降解。
实施例2：
碘掺杂纳米可见光催化剂的制备方法，包括如下步骤：
1)称取5mmol硝酸铋溶解在50mL乙二醇中，搅拌均匀得到溶液A；
2)向溶液A中加入2.5mmol的溴化钾，得到混合溶液B；
3)向步骤2)获得的混合溶液B中加入5mmol碘化钾，充分搅拌溶解，得到溶液C；
4)将步骤3)得到的混合溶液C放入微波反应器中利用400W功率反应8分钟；
5)将微波反应后的混合物冷却至室温后，取出沉淀用去离子水和乙醇洗涤2～3次，然后在100℃干燥4小时，即得到碘掺杂Bi4O5Br2可见光催化剂。
使用本发明的碘掺杂Bi4O5Br2在可见光照射下对尼泊金丁酯和双酚A进行降解试验，性能明显高于纯Bi4O5Br2的可见光活性，在可见光照射下，60分钟内超过92％的尼泊金丁酯和 91％的双酚A被降解。
实施例3：
碘掺杂纳米可见光催化剂的制备方法，包括如下步骤：
1)称取1mmol硝酸铋溶解在50mL乙二醇中，搅拌均匀得到溶液A；
2)向溶液A中加入0.5mmol的溴化钾，得到混合溶液B；
3)向步骤2)获得的混合溶液B中加入0.1mmol碘化钾，充分搅拌溶解，得到溶液C；
4)将步骤3)得到的混合溶液C放入微波反应器中利用200W功率反应10分钟；
5)将微波反应后的混合物冷却至室温后，取出沉淀用去离子水和乙醇洗涤2～3次，然后在60℃干燥12小时，即得到碘掺杂Bi4O5Br2可见光催化剂。
使用本发明的碘掺杂Bi4O5Br2在可见光照射下对尼泊金丁酯和双酚A进行降解试验，性能明显高于纯Bi4O5Br2的可见光活性，在可见光照射下，60分钟内超过88％的尼泊金丁酯和 84％的双酚A被降解。
实施例4：
碘掺杂纳米可见光催化剂的制备方法，包括如下步骤：
1)称取10mmol硝酸铋溶解在250mL乙二醇中，搅拌均匀得到溶液A；
2)向溶液A中加入5mmol的溴化钾，得到混合溶液B。
3)向步骤2)获得的混合溶液B中加入3mmol碘化钾，充分搅拌溶解，得到溶液C；
4)将步骤3)得到的混合溶液C放入微波反应器中利用400W功率反应10分钟；
5)将微波反应后的混合物冷却至室温后，取出沉淀用去离子水和乙醇洗涤2～3次，然后在80℃干燥12小时，即得到碘掺杂Bi4O5Br2可见光催化剂。
使用本发明的碘掺杂Bi4O5Br2在可见光照射下对尼泊金丁酯和双酚A进行降解试验，性能明显高于纯Bi4O5Br2的可见光活性，在可见光照射下，60分钟内超过91％的尼泊金丁酯和 87％的双酚A被降解。
实施例5：
碘掺杂纳米可见光催化剂的制备方法，包括如下步骤：
1)称取2mmol硝酸铋溶解在50mL乙二醇中，搅拌均匀得到溶液A；
2)向溶液A中加入1mmol的溴化钾，得到混合溶液B；
3)向步骤2)获得的混合溶液B中加入0.8mmol碘化钾，充分搅拌溶解，得到溶液C；
4)将步骤3)得到的混合溶液C放入微波反应器中利用400W功率反应6分钟；
5)将微波反应后的混合物冷却至室温后，取出沉淀用去离子水和乙醇洗涤2～3次，然后在60℃干燥24小时，即得到碘掺杂Bi4O5Br2可见光催化剂。
使用本发明的碘掺杂Bi4O5Br2在可见光照射下对尼泊金丁酯和双酚A进行降解试验，性能明显高于纯Bi4O5Br2的可见光活性，在可见光照射下，60分钟内超过93％的尼泊金丁酯和 89％的双酚A被降解。
实施例6：
碘掺杂纳米可见光催化剂的制备方法，包括如下步骤：
1)称取5mmol硝酸铋溶解在50mL乙二醇中，搅拌均匀得到溶液A；
2)向溶液A中加入2.5mmol的溴化钾，得到混合溶液B；
3)向步骤2)获得的混合溶液B中加入2.5mmol碘化钾，充分搅拌溶解，得到溶液C；
4)将步骤3)得到的混合溶液C放入微波反应器中利用600W功率反应3分钟；
5)将微波反应后的混合物冷却至室温后，取出沉淀用去离子水和乙醇洗涤2～3次，然后在80℃干燥12小时，即得到碘掺杂Bi4O5Br2可见光催化剂。
使用本发明的碘掺杂Bi4O5Br2在可见光照射下对尼泊金丁酯和双酚A进行降解试验，性能明显高于纯Bi4O5Br2的可见光活性，在可见光照射下，60分钟内超过94％的尼泊金丁酯和 94％的双酚A被降解。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (2)
1.一种碘掺杂纳米Bi4O5Br2可见光催化剂在可见光下催化降解尼泊金酯类污染物的应用，其特征在于，所述的碘掺杂纳米Bi4O5Br2可见光催化剂，由如下步骤制备得到：1)将铋盐溶解于多元醇中，得到均匀溶液A，溶液A中Bi3+的摩尔浓度为0.02～0.1mol/L；2)向溶液A中加入溴盐，搅拌获得均匀溶液B，溶液B中Bi3+与Br-的摩尔比为2:1；3)向溶液B中加入碘盐，得到溶液C，溶液C中I-与Br-的摩尔比为0.7～1:1；4)将溶液C放入微波反应器中进行微波反应4～8分钟，微波反应器的功率为400～600W；5)将反应后的产物经冷却干燥处理，即得所述的碘掺杂纳米Bi4O5Br2可见光催化剂；所述的铋盐为硝酸铋，多元醇为乙二醇，所述的溴盐为溴化钾，碘盐为碘化钾。
2.根据权利要求1所述的碘掺杂纳米Bi4O5Br2可见光催化剂在可见光下催化降解尼泊金酯类污染物的应用，其特征在于，所述的反应后的产物经乙醇和水洗涤后经干燥处理，干燥温度为40℃～100℃。
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