CN109865512B - 一种制备α-铌酸铋光催化剂的方法 - Google Patents
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Abstract
一种制备α‑铌酸铋光催化剂的方法,包括以下步骤:步骤1,配制反应前驱体溶液;步骤2,将步骤1得到的反应前驱体溶液转移至50mL水热反应釜中,在270℃~280℃水热温度下,反应16~24小时,反应完成后,将水热反应釜自然冷却至室温;步骤3,将步骤2得到的产物过滤,洗涤,置于鼓风干燥箱中在50℃~60℃的温度下,干燥20~24小时,即得α‑铌酸铋光催化剂;操作方法简单,制得的α‑铌酸铋光催化剂纯度高、比表面积大且催化活性强。
Description
技术领域
本发明属于光催化剂制备技术领域,具体涉及一种制备α-铌酸铋光催化剂的方法。
背景技术
随着社会经济发展和人民生活水平的提高,人类面临着愈发严峻的环境污染形势。众多难降解有机污染物随着工业和生活废水的排放进入环境体系中,干扰并威胁着人类和整个生物圈。在众多废水治理技术中,以半导体氧化物为催化剂的多相光催化过程因其可在室温下反应、可直接利用太阳光、可将几乎全部有机物矿化、无二次污染等独特性能被认为是一种理想的环境污染治理技术。因此,研究和开发新型半导体光催化材料,是当前国内外环境催化领域的前沿。
在种类繁多的光催化材料中,铌酸铋材料具有优良的铁电、压电、微波介电、光电以及优异的催化性能,受到研究者的青睐。铌酸铋是一种具有层状结构的材料,主要有两种晶型:α-铌酸铋和β-铌酸铋。这两种晶型的晶体结构不同,其催化性能也有差异。由文献报道可知,α-铌酸铋的催化性能优于β-铌酸铋,具有进一步开发的价值。
大量研究结果表明,材料的制备方法是决定材料性质的一个重要因素,不同方法制得的材料,其物理化学性质会有很大差别,而且材料的制备成本、工艺等因素会直接影响其应用前景。因此,考虑到α-铌酸铋优异的催化性能,寻找合适的制备方法,具有重要意义。
目前为止,已报道α-铌酸铋的制备方法主要有高温固相法、柠檬酸溶胶凝胶法和共沉淀法。其中,固相反应法操作最为简单,一般需要在高于900℃的条件下制备,所得产物的粒径为微米级,形貌为块状。采用柠檬酸溶胶-凝胶法制备α-铌酸铋也需要在900℃的条件下反应,但是其所得产物的粒径较为均匀,分散性较好。采用共沉淀法制备α-铌酸铋,其反应温度较固相法和柠檬酸溶胶-凝胶法低,完全反应所需温度约为600℃,所得产物的形貌和性能也相对较好。
除了上述高温固相法、溶胶凝胶法和共沉淀法,水热法也常用于纳米材料的制备。水热法不需要较高的反应温度,只需要在密闭的水热反应釜中,选择适宜的反应原料、温度和反应条件下一步完成合成反应,反应步骤相对较少。而且,水热法所得产物还具有结晶性好、团聚少、纯度高和比表面积大等优点,被认为是一种环境污染少、成本较低、有较强竞争力的方法。然而,在已建立的α-铌酸铋制备方法中,尚未见采用水热法一步制备α-铌酸铋的报道。
因此,寻找合适的条件,建立α-铌酸铋光催化材料的水热制备方法,并将其用于环境污染物的降解,有重要意义。
发明内容
为克服上述现有技术的不足,本发明的目的是提供一种制备α-铌酸铋光催化剂的方法,首次采用一步水热法成功合成出α-铌酸铋光催化剂,与现有技术相比,避免了传统方法制备α-铌酸铋需要高温煅烧的步骤,操作方法简单,制得的α-铌酸铋光催化剂纯度高、比表面积大且催化活性强。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:一种制备α-铌酸铋光催化剂的方法,包括以下步骤:
步骤1,配制反应前驱体溶液;
步骤2,将步骤1得到的反应前驱体溶液转移至50mL水热反应釜中,在270℃~280℃水热温度下,反应16~24小时,反应完成后,将水热反应釜自然冷却至室温;
步骤3,将步骤2得到的产物过滤,洗涤,置于鼓风干燥箱中在50℃~60℃的温度下,干燥20~24小时,即得α-铌酸铋光催化剂。
步骤1所述的反应前驱体溶液,其配置步骤为:
a、称取摩尔比为1:1的五水硝酸铋和五氯化铌;
b、将步骤a称取的五氯化铌倒入10~30mL的无水乙醇中,使用磁力搅拌器搅拌20~40min,使得五氯化铌充分溶解,所得溶液标记为A溶液;另将步骤a称取的五水硝酸铋倒入10~30mL的无水乙醇中,使用磁力搅拌器搅拌20~40min,使得五水硝酸铋充分溶解,所得溶液标记为B溶液;
c、先将步骤b得到的A溶液缓慢滴加进B溶液,在滴加的过程中,溶液由浑浊逐渐变澄清,磁力搅拌20~40min,制成混合溶液;用浓度为25%~28%的浓氨水调节混合溶液pH值至8~10,磁力搅拌20~40min,得到白色沉淀物;将此白色沉淀物抽滤,用去离子水洗涤至中性;
d、将步骤c得到的白色沉淀物超声分散于25mL去离子水中,用浓度为25%~28%的浓氨水调节混合溶液pH值至8~10,制成反应前驱体溶液。
步骤2中水热反应釜为有对位聚苯内衬的高压反应釜。
所述步骤b和步骤c中,所述磁力搅拌采用磁力搅拌器。
所述步骤d中,所述的超声采用超声仪器。
本发明方法的有益效果是:
与现有技术相比,本发明方法首次采用水热法一步制备α-铌酸铋光催化剂,其优点具体为:
1)起始原料简单,合成条件温和,操作步骤简便,实用性强,适应面广。
2)通过本发明方法制得的α-铌酸铋光催化剂能够有效去除水体中新兴环境微量有机污染物,其反应活性大,催化降解效率高。
3)拓宽了α-铌酸铋材料合成的新途径,有利于进一步开发其它铌酸盐的合成方法。
附图说明
图1为本发明方法制得α-铌酸铋光催化剂的X射线衍射图谱。
图2a为本发明方法实施例1中制得α-铌酸铋光催化剂的扫描电镜图。
图2b为本发明方法实施例2中制得α-铌酸铋光催化剂的扫描电镜图。
图2c为本发明方法实施例3中制得α-铌酸铋光催化剂的扫描电镜图。
图3为本发明方法制得α-铌酸铋光催化剂的氮气吸附脱附等温曲线。
图4为本发明方法制得α-铌酸铋光催化剂的降解曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
步骤1,配制反应溶液,其具体步骤为:
a、称取质量为0.5403g的五氯化铌(NbCl5),以及质量为0.9702g的五水硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O),其两者的摩尔比为1:1;
b、将步骤a称取的五氯化铌倒入10mL的无水乙醇中,磁力搅拌20min,使得五氯化铌充分溶解,所得溶液标记为A溶液;另将步骤a称取的五水硝酸铋倒入10mL的无水乙醇中,磁力搅拌20min,使得五水硝酸铋充分溶解,所得溶液标记为B溶液;
c、先将步骤b得到的A溶液缓慢滴加进B溶液,在滴加的过程中,溶液由浑浊逐渐变澄清,磁力搅拌20min,制成混合溶液;用浓度为25%的浓氨水调节混合溶液pH值至8,磁力搅拌20min,得到白色沉淀物;将此白色沉淀物抽滤,用去离子水洗涤至中性;
d、将步骤c得到的白色沉淀物超声分散于25mL去离子水中,用浓度为25%的浓氨水调节混合溶液pH值至8,制成反应前驱体溶液。
步骤2,将步骤1得到的反应前驱体溶液转移至50mL水热反应釜中,在270℃水热温度下,反应16小时,反应完成后,将水热反应釜自然冷却至室温。
步骤3,将步骤2得到的产物过滤,洗涤,置于鼓风干燥箱中在50℃的温度下,干燥20小时,即得α-铌酸铋光催化剂。
步骤2中水热反应釜为有对位聚苯内衬的高压反应釜。
所述步骤b和步骤c中,所述磁力搅拌采用磁力搅拌器。
所述步骤d中,所述的超声采用超声仪器。
如图1所示,图中线条1为本实施例中制得的α-铌酸铋光催化剂的X射线衍射图谱。
实施例2
步骤1,配制反应溶液,其具体步骤为:
a、称取质量为0.5404g的五氯化铌(NbCl5),以及质量为0.9704g的五水硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O),其两者的摩尔比为1:1;
b、将步骤a称取的五氯化铌倒入20mL的无水乙醇中,使用磁力搅拌器搅拌30min,使得五氯化铌充分溶解,所得溶液标记为A溶液;另将步骤a称取的五水硝酸铋倒入20mL的无水乙醇中,使用磁力搅拌器搅拌30min,使得五水硝酸铋充分溶解,所得溶液标记为B溶液;
c、先将步骤b得到的A溶液缓慢滴加进B溶液,在滴加的过程中,溶液由浑浊逐渐变澄清,磁力搅拌30min,制成混合溶液;用浓度为26%的浓氨水调节混合溶液pH值至9,磁力搅拌30min,得到白色沉淀物;将此白色沉淀物抽滤,用去离子水洗涤至中性;
d、将步骤c得到的白色沉淀物超声分散于25mL去离子水中,用浓度为26%的浓氨水调节混合溶液pH值至9,制成反应前驱体溶液。
步骤2,将步骤1得到的反应前驱体溶液转移至50mL水热反应釜中,在275℃水热温度下,反应20小时,反应完成后,将水热反应釜自然冷却至室温。
步骤3,将步骤2得到的产物过滤,洗涤,置于鼓风干燥箱中在55℃的温度下,干燥22小时,即得α-铌酸铋光催化剂。
步骤2中水热反应釜为有对位聚苯内衬的高压反应釜。
所述步骤b和步骤c中,所述磁力搅拌采用磁力搅拌器。
所述步骤d中,所述的超声采用超声仪器。
如图1所示,图中线条2为本实施例中制得的α-铌酸铋光催化剂的X射线衍射图谱。
实施例3
步骤1,配制反应溶液,其具体步骤为:
a、称取质量为0.5406g的五氯化铌(NbCl5),以及质量为0.9708g的五水硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O),其两者的摩尔比为1:1;
b、将步骤a称取的五氯化铌倒入30mL的无水乙醇中,使用磁力搅拌器搅拌40min,使得五氯化铌充分溶解,所得溶液标记为A溶液;另将步骤a称取的五水硝酸铋倒入30mL的无水乙醇中,使用磁力搅拌器搅拌40min,使得五水硝酸铋充分溶解,所得溶液标记为B溶液;
c、先将步骤b得到的A溶液缓慢滴加进B溶液,在滴加的过程中,溶液由浑浊逐渐变澄清,磁力搅拌40min,制成混合溶液;用浓度为28%的浓氨水调节混合溶液pH值至10,磁力搅拌40min,得到白色沉淀物;将此白色沉淀物抽滤,用去离子水洗涤至中性;
d、将步骤c得到的白色沉淀物超声分散于25mL去离子水中,用浓度为28%的浓氨水调节混合溶液pH值至10,制成反应前驱体溶液;
步骤2,将步骤1得到的反应前驱体溶液转移至50mL水热反应釜中,在280℃水热温度下,反应24小时,反应完成后,将水热反应釜自然冷却至室温;
步骤3,将步骤2得到的产物过滤,洗涤,置于鼓风干燥箱中在60℃的温度下,干燥24小时,即得α-铌酸铋光催化剂。
步骤2中水热反应釜为有对位聚苯内衬的高压反应釜。
所述步骤b和步骤c中,所述磁力搅拌采用磁力搅拌器。
所述步骤d中,所述的超声采用超声仪器。
如图1所示,图中线条3为本实施例中制得的α-铌酸铋光催化剂的X射线衍射图谱。
如图2a所示,实施例1中制得的α-铌酸铋光催化剂的扫描电镜图。由图可见,本实施例制备的α-铌酸铋光催化剂具有片状形貌,分散均匀。如图2b所示,实施例2中制得的α-铌酸铋光催化剂的扫描电镜图。由图可见,本实施例制备的α-铌酸铋光催化剂也具有片状形貌,分散性较好。图2c所示,实施例3中制得的α-铌酸铋光催化剂的扫描电镜图。由图可见,本实施例制备的α-铌酸铋光催化剂为不规则片状形貌。
如图3所示,图中线条1为实施例1中制得的α-铌酸铋光催化剂的氮气吸附-脱附等温曲线,图中线条2为实施例2中制得的α-铌酸铋光催化剂的氮气吸附-脱附等温曲线。图中线条3为实施例3中制得的α-铌酸铋光催化剂的氮气吸附-脱附等温曲线。
由图3可知,所制得的α-铌酸铋光催化剂均有迟滞回线,且迟滞回线在较高相对压力区域没有表现出任何吸附限制,根据国际纯粹与应用化学联合会的分类,三种样品均属于IV型等温线,H3型迟滞回线。跟据氮气吸附-脱附等温线的测试结果,采用BET法计算出实施例1所制备样品的比表面积为22.4m2/g,实施例2所制备的比表面积为18.9m2/g,实施例3所制备的比表面积为12.6m2/g。
使用本发明方法制备的α-铌酸铋光催化剂进行光催化降解实验。用沙拉沙星作为光催化活性的降解模型。取浓度为10mg·L-1沙拉沙星溶液和0.1g的α-铌酸铋光催化剂一同加入反应器,光源为250W氙灯。每次打开光源前,首先超声30min达到吸附-解吸平衡,然后抽取一个0min的样品作为之后数据的参考。打开氙灯光源开始光照,实验过程中通冷却水和空气,每隔10min取样一次,将溶液离心,并通过微孔滤膜过滤,取上层清液20μL注入高效液相色谱分析。高效液相色谱分析的条件如下:Inertsil ODS-SP柱(4.6×150mm,5μm);流动相:甲醇:乙腈:0.2%甲酸=15:15:70;流速:0.8mL/min;柱温:35℃;检测波长274nm。根据峰面积和浓度的关系,计算降解率,实验结果如图4所示。
图4中,横坐标为降解时间,纵坐标为降解率,线1为实施例1制备的α-铌酸铋光催化剂的降解曲线,线2为实施例2制备的α-铌酸铋光催化剂的降解曲线,线3为实施例3制备的α-铌酸铋光催化剂的降解曲线。从图4可以看出,本发明方法制备的α-铌酸铋光催化剂对沙拉沙星溶液均具有较高的降解率,降解效果较好。
Claims (4)
1.一种制备α-铌酸铋光催化剂的方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,配制反应前驱体溶液;
步骤1所述的反应前驱体溶液,其配置步骤为:
a、称取摩尔比为1:1的五水硝酸铋和五氯化铌;
b、将步骤a称取的五氯化铌倒入10~30mL的无水乙醇中,使用磁力搅拌器搅拌20~40min,使得五氯化铌充分溶解,所得溶液标记为A溶液;另将步骤a称取的五水硝酸铋倒入10~30mL的无水乙醇中,使用磁力搅拌器搅拌20~40min,使得五水硝酸铋充分溶解,所得溶液标记为B溶液;
c、先将步骤b得到的A溶液缓慢滴加进B溶液,在滴加的过程中,溶液由浑浊逐渐变澄清,磁力搅拌20~40min,制成混合溶液;用浓度为25%~28%的浓氨水调节混合溶液pH值至8~10,磁力搅拌20~40min,得到白色沉淀物;将此白色沉淀物抽滤,用去离子水洗涤至中性;
d、将步骤c得到的白色沉淀物超声分散于25mL去离子水中,用浓度为25%~28%的浓氨水调节混合溶液pH值至8~10,制成反应前驱体溶液;
步骤2,将步骤1得到的反应前驱体溶液转移至50mL水热反应釜中,在270℃~280℃水热温度下,反应16~24小时,反应完成后,将水热反应釜自然冷却至室温;
步骤3,将步骤2得到的产物过滤,洗涤,置于鼓风干燥箱中在50℃~60℃的温度下,干燥20~24小时,即得α-铌酸铋光催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种制备α-铌酸铋光催化剂的方法,其特征在于,步骤2中水热反应釜为有对位聚苯内衬的高压反应釜。
3.根据权利要求1所述的一种制备α-铌酸铋光催化剂的方法,其特征在于,所述步骤b和步骤c中,所述磁力搅拌采用磁力搅拌器。
4.根据权利要求1所述的一种制备α-铌酸铋光催化剂的方法,其特征在于,所述步骤d中,所述的超声采用超声仪器。
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