CN110787817A - 一种石墨烯负载碘酸氧铋光催化剂及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种石墨烯负载碘酸氧铋光催化剂及其制备方法应用。其制备包括：将五水硝酸铋加入去离子水中并持续磁力搅拌；称取一定量的碘酸钾置入上述混合物中，并继续磁力搅拌；将上述的混合物放置于水热反应釜中，进行水热反应得到反应产物；将上述反应产物用去离子水和无水乙醇分别洗涤并烘干，得到固体样品；将上述固体样品以一定比例与石墨烯复合即得石墨烯负载碘酸氧铋光催化剂。本发明的石墨烯负载碘酸氧铋光催化剂，具有较高的比表面积和优异的光催化性能。
Description
技术领域
本发明属于铋基复合材料领域，具体涉及一种石墨烯负载碘酸氧铋光催化剂及其制备方法于应用。
背景技术
经济发展离不开能源的输入，而我国的能源供给将长期以煤炭为主。煤炭在国民经济发展中占了举足轻重的地位，目前煤炭约占一次能源消耗的70％左右。煤炭的燃烧伴随有大量空气污染物的排放。以火力发电厂为例，其常见的烟气污染物包括二氧化硫、氮氧化物、粉尘和重金属污染物等。这些污染物的排放对生态环境造成恶劣影响，对人类的生产生活环境造成威胁。开发高效低成本的污染物控制技术，成为关键科学问题，近年来被国内外研究者们广泛关注。
以燃煤烟气中的重金属汞污染为例，其主要含有三种形态，包括单质汞、氧化态汞和颗粒态汞。其中氧化态汞易溶于水，可结合石灰石-石膏湿法烟气脱硫(WFGD)系统加以联合脱除。颗粒态汞，可由传统的除尘器捕获，如袋式除尘器(FF)或静电除尘器(ESP)。相比之下，单质汞，化学状态稳定，不溶于水，难以被已有的空气污染控制装置(APCDs)有效脱除。单质汞对生态环境的影响极大，其在大气中可存在1～2年，且不能被微生物降解，易在生物体中富集并转化为剧毒的金属有机化合物，对人类健康造成严重危害。
开发高效的重金属汞污染物脱除技术成为热点问题。目前常见的手段有吸附法和氧化法。吸附法采用炉膛内喷射吸附剂，试图吸附固定烟气中的汞污染物。然而随着汞的沉积，吸附剂表面的活性点位将被汞原子占据从而导致吸附剂穿透，不能连续降低烟气中的汞浓度。在实际应用中，需要往炉膛内不断喷射吸附剂。此举将改变飞灰的组成，不利于飞灰的二次利用，且喷射吸附剂方法成本过于昂贵不利于推广。相比之下，氧化法将单质汞氧化成为氧化态汞，再结合已有的WFGD系统对总汞进行联合脱除，正日益受到研究者的青睐。
光催化技术是一种高效、安全的环境友好型空气净化技术，其基本原理是光催化剂被可见光或紫外光照射而激发，产生活性基团，如光生空穴、羟基自由基、超氧自由基等，进而与目标污染物反应，达到催化降解的目的。考虑到在燃煤电厂普遍配备的静电除尘器(ESP)中含有高强度的紫外光辐射，采取光催化技术光催化氧化单质汞成为一种可行的脱汞方案。光催化技术的核心在于开发选择性好，效率高的光催化剂。碘酸氧铋(BiOIO3)是一种新型光催化剂，其独特的奥里维里斯层状非中心对称结构，具有优良的电子传输特性。此外，由于碘酸氧铋(BiOIO3)的价带位置较正，由光照而激发产生的光生空穴氧化性较强，可有效氧化单质汞。但是，纯净的碘酸氧铋(BiOIO3)晶体，其禁带宽度较宽，不能有效吸收可见光波长范围内的光照，限制了其在可见光驱动下的应用。此外，纯净的碘酸氧铋(BiOIO3)晶体比表面积较小，不利于活性点位的分散，从而降低了催化剂表面与目标污染物的碰撞概率，不利于反应的进行。通过石墨烯与碘酸氧铋(BiOIO3)复合，形成碘酸氧铋/石墨烯(BiOIO3/Graphene)界面异质结构，可以有效降低体系禁带宽度，拓宽光催化剂的光响应区间。激发产生的光生电子可注入石墨烯，因此阻碍了光生电子-空穴对的复合，延长了光生载流子的寿命，有利于生成的自由基团与目标污染物反应。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术对燃煤烟气汞脱除效果不佳的问题，提供一种石墨烯负载碘酸氧铋光催化剂及其制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种石墨烯负载碘酸氧铋光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将五水硝酸铋[Bi(NO3)3·5H2O]溶于去离子水中，磁力搅拌均匀，制得溶液A；
步骤2：将碘酸钾(KIO3)溶于步骤1制得的溶液A中，磁力搅拌均匀，制得溶液B；
步骤3：将溶液B置于水热反应釜中，在160～200℃的温度下水热反应8～12h，然后分别用去离子水和无水乙醇分别洗涤数次，在烘箱中80～90℃条件下烘干12～18h，研磨，得到碘酸氧铋(BiOIO3)粉末；
步骤4：将步骤3制得的碘酸氧铋粉末溶于去离子水中，磁力搅拌均匀，制得溶液C；
步骤5：将石墨烯溶于步骤4制得的溶液C中磁力搅拌均匀，制得溶液D；
步骤6：将步骤5制得的溶液D置于水热反应釜中，在160～200℃的温度下水热反应8～12h，然后分别用去离子水和无水乙醇分别洗涤数次，在烘箱中80～90℃条件下烘干12～18h，研磨，即得到石墨烯负载碘酸氧铋光催化剂。
优选地，所述步骤1中溶液A中硝酸铋的浓度为125mmol/L。
优选地，所述步骤2中溶液B中碘酸钾与硝酸铋的摩尔比为1:1。
优选地，所述步骤4中溶液C中碘酸氧铋的浓度为0.0125g/mL。
优选地，所述步骤4中溶液D中石墨烯与碘酸氧铋的质量比为1:1～1:10。
本发明还提供了上述方法制备的石墨烯负载碘酸氧铋光催化剂。
本发明还提供了上述方法制备的石墨烯负载碘酸氧铋光催化剂在光催化领域中的应用。
优选地，所述应用包括：：光催化氧化单质汞、光催化还原二氧化碳等光催化领域。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明利用碘酸氧铋(BiOIO3)与石墨烯的复合，有利于降低体系的禁带宽度，拓宽光催化剂的光响应区间，并且可有效延长光生载流子的寿命，促进反应进行。
(2)本发明提供的石墨烯负载碘酸氧铋光催化剂，可以克服传统二氧化钛催化剂所带来的弊端，也可缓解纯碘酸氧铋(BiOIO3)晶体禁带宽度过宽，比表面积较小的问题。本发明制备工艺简单，可重复性高。
附图说明
图1为本发明实施例1得到的石墨烯负载碘酸氧铋光催化剂的扫描电子显微镜(SEM)图；
图2为本发明实施例2得到的石墨烯负载碘酸氧铋光催化剂与纯碘酸氧铋的光催化氧化单质汞效率图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明中所使用的试剂规格如表1所示。
表1
实施例1
本实施例提供了一种石墨烯负载碘酸氧铋光催化剂的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：将10mmol五水硝酸铋[Bi(NO3)3·5H2O]溶于80mL去离子水中，磁力搅拌30min，制得溶液A；
步骤2：将10mmol碘酸钾(KIO3)溶于步骤1制得的溶液A中，磁力搅拌30min，制得溶液B；
步骤3：将溶液B置于150mL的水热反应釜中，在160℃的温度下水热反应12h，然后分别用去离子水和无水乙醇分别洗涤3次，在烘箱中80℃条件下烘干12h，在研钵中研磨成粉末，得到碘酸氧铋(BiOIO3)粉末；
步骤4：称取1g步骤3制得的碘酸氧铋粉末溶于80mL去离子水中，磁力搅拌30min，制得溶液C；
步骤5：称取1g石墨烯溶于步骤4制得的溶液C中磁力搅拌均匀，制得溶液D；
步骤6：将步骤5制得的溶液D置于150mL的水热反应釜中，在160℃的温度下水热反应12h，然后分别用去离子水和无水乙醇分别洗涤3次，在烘箱中80℃条件下烘干12h，在研钵中研磨成粉末，即得到石墨烯负载碘酸氧铋光催化剂。
图1为实施例1所得的石墨烯负载碘酸氧铋光催化剂的扫描电子显微镜(SEM)图，石墨烯较大的比表面积可将碘酸氧铋(BiOIO3)晶体有效分散，且两者形成紧密接触构成界面异质结。
实施例2
本实施例提供了上述石墨烯负载碘酸氧铋光催化剂在光催化氧化单质汞中的应用，具体步骤如下：
步骤1：称取30mg的实施例1中所得的石墨烯负载碘酸氧铋光催化剂，溶于装有10mL无水乙醇的烧杯中；
步骤2：将步骤1所述的烧杯进行超声震荡操作后，将混合物均匀涂覆在石英玻片上；
步骤3：将步骤2所述的石英玻片，放置于80℃的烘箱中，烘干10min，得到待反应石英玻片；
步骤4：将步骤3所述的待反应石英玻片，放置于非均相光催化反应器中，进行单质汞光催化氧化实验并记录实验数据；
步骤4：称取30mg的实施例1中所得的纯碘酸氧铋(BiOIO3)样品，并重复上述步骤。
图2为实施例2所得的石墨烯负载碘酸氧铋光催化剂与纯碘酸氧铋(BiOIO3)的光催化氧化单质汞效率图，由图可知本发明所制备的石墨烯负载碘酸氧铋光催化剂，其相比较于纯碘酸氧铋(BiOIO3)，单质汞氧化效率可提升50％。
Claims (8)
1.一种石墨烯负载碘酸氧铋光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将五水硝酸铋溶于去离子水中，磁力搅拌均匀，制得溶液A；
步骤2：将碘酸钾溶于步骤1制得的溶液A中，磁力搅拌均匀，制得溶液B；
步骤3：将溶液B置于水热反应釜中，在160～200℃的温度下水热反应8～12h，然后分别用去离子水和无水乙醇分别洗涤数次，在烘箱中80～90℃条件下烘干12～18h，研磨，得到碘酸氧铋粉末；
步骤4：将步骤3制得的碘酸氧铋粉末溶于去离子水中，磁力搅拌均匀，制得溶液C；
步骤5：将石墨烯溶于步骤4制得的溶液C中磁力搅拌均匀，制得溶液D；
步骤6：将步骤5制得的溶液D置于水热反应釜中，在160～200℃的温度下水热反应8～12h，然后分别用去离子水和无水乙醇分别洗涤数次，在烘箱中80～90℃条件下烘干12～18h，研磨，即得到石墨烯负载碘酸氧铋光催化剂。
2.如权利要求1所述的石墨烯负载碘酸氧铋光催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤1中溶液A中硝酸铋的浓度为125mmol/L。
3.如权利要求1所述的石墨烯负载碘酸氧铋光催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤2中溶液B中碘酸钾与硝酸铋的摩尔比为1:1。
4.如权利要求1所述的石墨烯负载碘酸氧铋光催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤4中溶液C中碘酸氧铋的浓度为0.0125g/mL。
5.如权利要求1所述的石墨烯负载碘酸氧铋光催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤4中溶液D中石墨烯与碘酸氧铋的质量比为1:1～1:10。
6.权利要求1～5任一项所述方法制备的石墨烯负载碘酸氧铋光催化剂。
7.权利要求1～5任一项所述方法制备的石墨烯负载碘酸氧铋光催化剂在光催化领域中的应用。
8.如权利要求7所述的石墨烯负载碘酸氧铋光催化剂在光催化领域中的应用，其特征在于，所述应用包括光催化氧化单质汞和光催化还原二氧化碳。
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