CN107537523B - 一种水热法制备二硫化锡/碘氧化铋复合光催化剂的方法 - Google Patents
一种水热法制备二硫化锡/碘氧化铋复合光催化剂的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种水热法制备二硫化锡/碘氧化铋复合光催化剂的方法,称取五水硝酸铋溶入去离子水中,然后按照元素摩尔比Bi:I=1:1称取碘化钾,加入混合溶液并调节pH=6~8;转移至均相水热釜中,放入均相反应器进行反应,待反应结束后,经去离子水和无水乙醇分别离心洗涤后干燥即得到碘氧化铋粉末;称取五水合氯化锡溶入去离子水中,待搅拌均匀后再向溶液中加入九水合硫化钠,再次混合均匀,然后将前面得到的碘氧化铋粉末加入其中,超声分散得到前驱体;将前驱体转移到均相反应釜中,将均相反应釜放入均相反应器进行反应;待反应结束后,取出产物,经去离子水和无水乙醇分别离心洗涤后干燥即得到二硫化锡/碘氧化铋复合光催化剂。
Description
技术领域
本发明涉及碘氧化铋材料的制备以及两种材料的复合方法,具体涉及一种水热法制备二硫化锡/碘氧化铋复合光催化剂的方法。
背景技术
在工业和经济日益发达的今天,能源短缺、环境污染等问题变得刻不容缓。因而开发具有可见光活性的光催化剂更具有现实意义。铋系材料在我国的储量和分布均高于世界平均水平,其电子轨道杂化使半导体的禁带宽度变窄,极大地拓宽了半导体可见光响应范围。其中,卤氧化铋材料在众多的铋系材料中最具有代表意义,卤氧化铋材料BiOX(X=Cl,Br,I)具有独特的层状结构,由[Bi2O2]2+与卤素原子X原子交叉而成,因而在垂直于层之间的空间容易产生内建电场,显示出良好的光生载流子流动性,电子-空穴对分离效率高。
BiOI在卤氧化铋材料的体系中,是最为特殊的一种光催化剂,BiOI作为一种p型半导体,在卤氧化铋中禁带宽度最小,为1.78eV,具有较好的可见光响应。目前,制备碘氧化铋的方法主要有:微波水热法[Azadi,M;Habibi-Yangjeh,A.Microwave-assisted facileone-pot method for preparation of BiOI-ZnO nanocomposites as novel dyeadsorbents by synergistic collaboration[J].JOURNAL OF THE IRANIAN CHEMICALSOCIETY.2015,12(5):909-919]、水浴法[Wen,Xiao-Ju;Niu,Cheng-Gang;Zhang,Lei.Novelp-n heterojunction BiOI/CeO2 photocatalyst for wider spectrum visible-lightphotocatalytic degradation of refractory pollutants[J].KINETICS ANDCATALYSIS.2016,57(3):339-343]、均相水热法[Xi Zhang and Lizhi Zhang.Electronicand Band Structure Tuning of Ternary Semiconductor Photocatalysts by SelfDoping:The Case of BiOI[J].J.Phys.Chem.C 2010,114,18198–18206]。其中均相水热法最为普遍,受热均匀,成本低,简单易控制,合成的样品形貌较好,在光催化领域具有潜在的应用。
相对于一般的氧化物,稳定的硫化锡是由S-Sn-S层组成的CdI2-tpye(碘化镉型)型层状结构,每两个S-Sn-S层之间是通过范德瓦尔斯力进行堆积的,在六方密堆积单胞中,锡原子位于两个分别由硫原子形成的六边形密堆积夹层中,从而形成三明治夹心结构(X-Y-X,Y=Sn,X=S)。作为一种层状半导体材料,SnS2为n型半导体,室温下SnS2的带隙值为2.0-2.5eV,因而在光催化降解染料方面受到了广泛关注。
据报道,目前与SnS2复合的方法有:一步法[Kaili Yao,Jun Li,Shaoyun Shan,etal.One-step synthesis of urchinlike SnS/SnS2 heterostructures with superiorvisible-light photocatalytic performance[J].Catalysis Communications.2017,101,51-56.]、原位合成法[Fazheng Qiu,Wenjun Li,et al.In-situ synthesis of novelZ-scheme SnS2/BiOBr photocatalysts with superior photocatalytic efficiencyunder visible light[J].Journal of Colloid and Interface Science.2017,493,1-9.]、三步合成法[Bei Long,Yongchao Huang,et al.Carbon Dots Sensitized BiOI withDominant{001}Facets for Superior Photocatalytic Performance[J].Ind.Eng.Chem.Res.2015,54,12788-12794.]。一步法虽然工艺简单易操作,但是很难同时合成两种不同的物相,容易产生其他杂相。原位合成法虽然成本较低,简单易操作,但是该方法适用于制备金属基复合材料,达到增强基体力学性能的目的。三步法虽然避免了杂相的生成,但是实验工艺太过复杂,应用成本大,耗时长,不适合量化生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种两步水热法制备以碘氧化铋为基体,复合少量二硫化锡,得到二硫化锡/碘氧化铋复合光催化剂的方法,两步合成法可成功合成目标物相,并且基体可以在生成掺杂相较高的温度时发生重结晶,使得两相复合均匀,扩大其层间距和比表面积。再者,本发明利用率高,所使用原料成本低、工艺较为简单,以克服现有技术存在的问题。
为达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种水热法制备二硫化锡/碘氧化铋复合光催化剂的方法,包括以下步骤:
步骤一:称取Bi(NO3)3·5H2O溶入去离子水中得到混合溶液A,然后按照元素摩尔比nBi:nI=1:1称取定量KI,将KI加入混合溶液A中,并调节pH=6~8,得到混合溶液B;
步骤二:将混合溶液B转移至均相水热釜中,放入均相反应器进行反应,待反应结束后,取出产物,经去离子水和无水乙醇分别离心洗涤若干次,然后干燥即得到BiOI粉末;
步骤三:称取SnCl4·5H2O,将其溶入去离子水中,待搅拌均匀后再向溶液中加入Na2S·9H2O,再次混合均匀得到混合溶液C,然后将步骤二得到的BiOI粉末加入混合溶液C,超声分散得到前驱体;
步骤四:将前驱体转移到均相反应釜中,将均相反应釜放入均相反应器进行反应;
步骤五:待反应结束后,取出产物,经去离子水和无水乙醇分别离心洗涤若干次,然后干燥即得到SnS2/BiOI复合光催化剂。
进一步地,步骤一中将KI加入混合溶液A后,持续搅拌60min,然后调节pH。
进一步地,步骤二中反应过程中填充比控制在40%~60%,反应温度控制为110~140℃,反应时间为12-24h。
进一步地,步骤二中产物经去离子水和无水乙醇分别离心洗涤4~6次,然后干燥10~12h即得到BiOI粉末。
进一步地,步骤三中SnCl4·5H2O、Na2S·9H2O和BiOI粉末的摩尔比为SnCl4·5H2O:Na2S·9H2O:BiOI=(3~7):(6~14):10。
进一步地,步骤三中超声分散时间为10min。
进一步地,步骤四中反应过程中填充比控制在40%~60%,反应温度控制在140~160℃,反应时间为12~24h。
进一步地,步骤五中产物经去离子水和无水乙醇分别离心洗涤4~6次,然后干燥10~12h即得到SnS2/BiOI复合光催化剂。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
本发明制出的BiOI形貌为不规则片状,在合成过程中片状易堆积,容易形成无规则的团聚状,而在合成SnS2时较高的温度下,BiOI会发生重结晶,纳米片也会随之移动,此时形成的小花状SnS2均匀分散在BiOI纳米片中,使得少量SnS2生长BiOI片层中,阻止其片状堆积,增加比表面积,从而增多了催化剂与污染物之间的接触活性位点,使得BiOI的光催化性能进一步提高,本发明所制备的以BiOI为基体,将少量SnS2生长在BiOI纳米片层上,得到的SnS2/BiOI复合光催化剂光催化性均高于纯BiOI、SnS2材料。
另外,本发明以五水硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O)、碘化钾(KI)、五水合氯化锡(SnCl4·5H2O)、九水合硫化钠(Na2S·9H2O)为原料,采用均相水热法,在纯相BiOI纳米片中,复合少量SnS2材料。该方法反应受热均匀,易控制,所得的产物不会存在其他杂相,利用率高。该发明所使用原料成本低、易得到目标产物。
进一步地,通过控制反应条件,采用本发明制备的BiOI/SnS2复合光催化剂,以甲基橙(MO)为降解物,当可见光照射120min时,降解效率达到80%以上。
附图说明
图1是本发明实施例2所制备的二硫化锡/碘氧化铋SnS2/BiOI复合光催化剂的XRD图。
具体实施方式
下面对本发明的实施方式做进一步详细描述:
一种水热法制备二硫化锡/碘氧化铋复合光催化剂的方法,包括以下步骤:
1) 将4~6mmol的Bi(NO3)3·5H2O,溶入40~60ml去离子水中,按照元素摩尔比nBi:nI=1:1称取定量KI,缓慢加入上述溶液中,持续搅拌60min,调节pH使得pH=6~8。
2) 将混合溶液转移至均相水热釜中,放入均相反应器,填充比控制在40%~60%,反应温度控制为110~140℃,反应12~24h。待反应结束后,取出产物,经去离子水和无水乙醇分别离心洗涤4~6次,干燥10~12h即可得到BiOI粉末。
3) 按照摩尔比Sn:Bi=30~70%的掺杂量,称取一定量的SnCl4·5H2O,将其溶入去离子水中,待搅拌均匀后再向溶液中加入适量Na2S·9H2O(摩尔比Sn:S=1:2),再次混合均匀,将2)得到的BiOI粉末加入该溶液,超声分散10min得到前驱体。
4) 将前驱体转移到均相反应釜中,将反应釜放入均相反应器,填充比控制在40%~60%,反应温度控制为140~160℃,反应12~24h。
5) 待反应结束后,取出前驱体,经去离子水和无水乙醇分别离心洗涤4~6次,干燥10~12h即可得到SnS2/BiOI复合光催化剂。
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述:
实施例1
1) 将4mmol的Bi(NO3)3·5H2O,溶入40ml去离子水中,按照元素摩尔比nBi:nI=1:1称取定量KI,缓慢加入上述溶液中,持续搅拌60min,调节pH使得pH=7。
2) 将混合溶液转移至均相水热釜中,放入均相反应器,填充比控制在40%,反应温度控制为110℃,反应12h。待反应结束后,取出反应物,经去离子水和无水乙醇分别离心洗涤4次,干燥10h即可得到BiOI粉末。
3) 按照Sn:Bi=30%的掺杂量,称取一定量的SnCl4·5H2O,将其溶入去离子水中,待搅拌均匀后再向溶液中加入适量Na2S·9H2O(Sn:S=1:2),再次混合均匀,将2)得到的BiOI粉末加入该溶液,超声分散10min得到前驱体。
4) 将前驱体转移到均相反应釜中,将反应釜放入均相反应器,填充比控制在40%,反应温度控制为140℃,反应12h。
5) 待反应结束后,取出前驱体,经去离子水和无水乙醇分别离心洗涤4次,干燥10h即可得到SnS2/BiOI复合光催化剂。
实施例2
1) 将5mmol的Bi(NO3)3·5H2O,溶入50ml去离子水中,按照元素摩尔比nBi:nI=1:1称取定量KI,缓慢加入上述溶液中,持续搅拌60min,调节pH使得pH=6。
2) 将混合溶液转移至均相水热釜中,放入均相反应器,填充比控制在50%,反应温度控制为125℃,反应24h。待反应结束后,取出反应物,经去离子水和无水乙醇分别离心洗涤6次,干燥12h即可得到BiOI粉末。
3) 按照Sn:Bi=50%的掺杂量,称取一定量的SnCl4·5H2O,将其溶入去离子水中,待搅拌均匀后再向溶液中加入适量Na2S·9H2O(Sn:S=1:2),再次混合均匀,将2)得到的BiOI粉末加入该溶液,超声分散10min得到前驱体。
4) 将前驱体转移到均相反应釜中,将反应釜放入均相反应器,填充比控制在50%,反应温度控制为150℃,反应24h。
5) 待反应结束后,取出前驱体,经去离子水和无水乙醇分别离心洗涤6次,干燥12h即可得到SnS2/BiOI复合光催化剂。
实施例3
1) 将6mmol的Bi(NO3)3·5H2O,溶入60ml去离子水中,按照元素摩尔比nBi:nI=1:1称取定量KI,缓慢加入上述溶液中,持续搅拌60min,调节pH使得pH=8。
2) 将混合溶液转移至均相水热釜中,放入均相反应器,填充比控制在60%,反应温度控制为140℃,反应18h。待反应结束后,取出反应物,经去离子水和无水乙醇分别离心洗涤5次,干燥11h即可得到BiOI粉末。
3) 按照Sn:Bi=70%的掺杂量,称取一定量的SnCl4·5H2O,将其溶入去离子水中,待搅拌均匀后再向溶液中加入适量Na2S·9H2O(Sn:S=1:2),再次混合均匀,将2)得到的BiOI粉末加入该溶液,超声分散10min得到前驱体。
4) 将前驱体转移到均相反应釜中,将反应釜放入均相反应器,填充比控制在60%,反应温度控制为160℃,反应18h。
5) 待反应结束后,取出前驱体,经去离子水和无水乙醇分别离心洗涤5次,干燥11h即可得到SnS2/BiOI复合光催化剂。
在160℃的温度下合成SnS2时,BiOI会发生重结晶,纳米片也会随之移动,此时形成的小花状SnS2均匀分散在BiOI纳米片中,使得少量SnS2生长BiOI片层中,阻止其片状堆积,增加比表面积,从而增多了催化剂与污染物之间的接触活性位点,使得BiOI的光催化性能进一步提高。
从图1中可以看出实施例2所制备的样品分别对应标准卡片PFD23-0677(二硫化锡)、PFD10-0445(碘氧化铋)所对应,主峰明确,物相较纯。
Claims (5)
1.一种水热法制备二硫化锡/碘氧化铋复合光催化剂的方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:称取Bi(NO3)3·5H2O溶入去离子水中得到混合溶液A,然后按照元素摩尔比nBi:nI=1:1称取定量KI,将KI加入混合溶液A中,并调节pH=6~8,得到混合溶液B;
步骤二:将混合溶液B转移至均相水热釜中,放入均相反应器进行反应,反应过程中填充比控制在40%~60%,反应温度控制为110~140℃,反应时间为12-24h,待反应结束后,取出产物,经去离子水和无水乙醇分别离心洗涤若干次,然后干燥即得到BiOI粉末;
步骤三:称取SnCl4·5H2O,将其溶入去离子水中,待搅拌均匀后再向溶液中加入Na2S·9H2O,再次混合均匀得到混合溶液C,然后将步骤二得到的BiOI粉末加入混合溶液C,超声分散得到前驱体,其中SnCl4·5H2O、Na2S·9H2O和BiOI粉末的摩尔比为SnCl4·5H2O:Na2S·9H2O:BiOI=(3~7):(6~14):10;
步骤四:将前驱体转移到均相反应釜中,将均相反应釜放入均相反应器进行反应,反应过程中填充比控制在40%~60%,反应温度控制在140~160℃,反应时间为12~24h;
步骤五:待反应结束后,取出产物,经去离子水和无水乙醇分别离心洗涤若干次,然后干燥即得到SnS2/BiOI复合光催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种水热法制备二硫化锡/碘氧化铋复合光催化剂的方法,其特征在于,步骤一中将KI加入混合溶液A后,持续搅拌60min,然后调节pH。
3.根据权利要求1所述的一种水热法制备二硫化锡/碘氧化铋复合光催化剂的方法,其特征在于,步骤二中产物经去离子水和无水乙醇分别离心洗涤4~6次,然后干燥10~12h即得到BiOI粉末。
4.根据权利要求1所述的一种水热法制备二硫化锡/碘氧化铋复合光催化剂的方法,其特征在于,步骤三中超声分散时间为10min。
5.根据权利要求1所述的一种水热法制备二硫化锡/碘氧化铋复合光催化剂的方法,其特征在于,步骤五中产物经去离子水和无水乙醇分别离心洗涤4~6次,然后干燥10~12h即得到SnS2/BiOI复合光催化剂。
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