CN110937631B - 一种表面活性剂辅助的水热制备多面体状BiVO4微晶的方法 - Google Patents

一种表面活性剂辅助的水热制备多面体状BiVO4微晶的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种表面活性剂辅助的水热制备多面体状BiVO4微晶的方法，属于半导体光催化材料制备技术领域，其特征在于包括以下步骤：以五水合硝酸铋和偏钒酸铵为原料，按摩尔比为1：1的量混合，依次加入十六烷基三甲基溴化铵和2‑6g尿素，经搅拌、溶解后，于80℃下加热4h；再在180℃下水热反应36h；最后经抽滤、洗涤和烘干，即可得到多面体状BiVO4微晶。本发明以十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂，尿素为沉淀剂，经水热法制备得到多面体状BiVO4微晶，本发明制备得到的多面体状BiVO4微晶的结构规整、形貌结构可控，具有原料廉价易得、工艺过程简单、可重复性高等特点。

Description

一种表面活性剂辅助的水热制备多面体状BiVO4微晶的方法
技术领域
本发明属于半导体光催化材料制备技术领域，具体涉及一种表面活性剂辅助的水热制备多面体状BiVO4微晶的方法。
背景技术
随着社会经济的发展，环境和能源问题日益受到关注，解决好环境污染和能源短缺问题成为当今科学发展观的迫切需求。光催化材料可以利用太阳光能进行分解水以及降解污染物，在解决能源短缺和环境污染方面具有广阔的应用前景，而研究出高效的可见光响应型光催化材料才可以充分利用太阳光能。近年来的研究报道发现，Bi2WO6、InVO4和BiVO4等材料都具有良好的可见光催化性能，其中，BiVO4由于其合适的带隙结构、稳定性好、无毒等优点而受到广泛关注。目前，制备BiVO4的方法主要有固相法、超声化学法、微波法、水热法以及沉淀法等。研究报道发现，不同形貌、结构的BiVO4对光催化活性有着重要影响。Yu等以十六烷基三甲基溴化铵为模板剂，庚烷和己醇为结构导向剂，通过调控晶体生长方向，采用水热法制备出BiVO4纳米纤维，相比于固相法制备的BiVO4样品，该BiVO4纳米纤维表现出更好的可见光催化活性（JQ Yu, et al. Chem. Lett., 2005, 34: 850-851）；同时，Li等以十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂，用NaOH调控溶液pH值，导致在不同pH条件下溶液中离子的存在形式不同，从而合成出四方块状、片状和花状BiVO4，其可见光催化性能明显优于P25的光催化性能（HB Li, et al. Mater. Chem. Phys., 2009, 115: 9-13）。
此外，光催化材料催化性能的大小与材料表面高活性晶面暴露程度有直接关系。因此，制备高活性晶面暴露的催化材料具有重要意义。其中，高指数晶面由于具有高密度的低配位原子和边缘而表现出更好的光催化活性，但是，由于高指数晶面表面通常比低指数晶面表面生长的快，并且根据总表面能最小化原理，高指数晶面通常在晶体生长过程中逐渐消失，因此，制备高指数晶面选择性暴露的晶体极具挑战性。专利CN 107176623A发明一种离子自吸附制备BiVO4多面体的方法，在光催化分解水析氧方面表现出优异的光催化性能，但是制备过程中需要用到贵金属Au，成本较高。
本发明以十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂，尿素为沉淀剂，采用水热法制备多面体状BiVO4微晶，原料廉价易得，工艺简单，迄今为止，尚无文献和专利报道过。
发明内容
本发明的目的在于提供一种表面活性剂辅助的水热制备多面体状BiVO4微晶的方法，本发明制备的BiVO4样品为单斜白钨矿结构，形貌为规整的26面多面体结构，尺寸约5μm，禁带宽度为2.33eV。
本发明采用的技术方案如下：
步骤1. 在搅拌条件下，将0.468g偏钒酸铵溶解于40mL热水（80℃）中，标记为A液；
步骤2. 在搅拌条件下，将1.940g硝酸铋溶解于40mL 4mol/L HNO3溶液中，标记为B液；
步骤3. 在室温搅拌条件下，将步骤2得到的B液逐滴加入步骤1得到的A液中，混合均匀；
步骤4. 向步骤3得到的混合溶液中依次加入0.08g十六烷基三甲基溴化铵和2-6g尿素，经搅拌、溶解后，于80℃下加热4h；
步骤5. 将步骤4得到的溶液转移至100mL反应釜内衬中，将密封好的反应釜置于恒温烘箱中于180℃下水热反应36h；
步骤6. 待自然冷却至室温后，取出样品对其进行抽滤，用去离子水和乙醇洗涤3次，将所得固体产物于60℃烘干12h，即可得到多面体状BiVO4微晶。
本发明采用以十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂、尿素为沉淀剂、稀HNO3为溶剂、硝酸铋和偏钒酸铵为金属源的水热法制备多面体状BiVO4微晶。十六烷基三甲基溴化铵和尿素对多面体状BiVO4微晶的形成起到重要作用。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明以十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂，通过调控尿素的加入量，有效实现规整26面多面体状BiVO4微晶的制备；
（2）本发明制备多面体状BiVO4微晶具有原料廉价易得、制备工艺简单、形貌和结构可控、可重复性高等特点；
（3）本发明所获得的多面体状BiVO4微晶在光催化处理水污染等方面表现出优良的应用前景。
附图说明
为了进一步了解本发明，下面以实施例作详细说明，并给出附图描述本发明得到的多面体状BiVO4微晶，其中：
图1是经本发明实施例1制得的多面体状BiVO4微晶的X射线衍射（XRD）谱图，其中分别为：曲线（A）为多面体状BiVO4微晶；曲线（B）为单斜白钨矿相BiVO4（JCPDS No. 14-0688）标准卡片。
图2是经本发明实施例1制得的多面体状BiVO4微晶的扫描电子显微镜（SEM）照片，其中图2（A）、2（B）和2（C）是该样品不同放大倍数的SEM照片。
图3是经本发明实施例1制得的多面体状BiVO4微晶的紫外-可见漫反射（UV-visDRS）谱图，其中图3（A）和3（B）分别为吸收和带隙曲线。
图4是经对比例1制得的BiVO4样品的扫描电子显微镜（SEM）照片。
具体实施方式
实施例1：
步骤1. 在搅拌条件下，将0.468g偏钒酸铵溶解于40mL热水（80℃）中，标记为A液；
步骤2. 在搅拌条件下，将1.940g硝酸铋溶解于40mL 4mol/L HNO3溶液中，标记为B液；
步骤3. 在室温搅拌条件下，将步骤2得到的B液逐滴加入步骤1得到的A液中，混合均匀；
步骤4. 向步骤3得到的混合溶液中依次加入0.08g十六烷基三甲基溴化铵和2g尿素，经搅拌、溶解后，于80℃下加热4h；
步骤5. 将步骤4得到的溶液转移至100mL反应釜内衬中，将密封好的反应釜置于恒温烘箱中于180℃下水热反应36h；
步骤6. 待自然冷却至室温后，取出样品对其进行抽滤，用去离子水和乙醇洗涤3次，将所得固体产物于60℃烘干12h，即可得到多面体状BiVO4微晶。
经实施例1制得的多面体状BiVO4微晶的X射线衍射（XRD）谱图见图1中曲线（A），扫描电子显微镜（SEM）照片见图2，以及紫外-可见漫反射（UV-vis DRS）谱图见图3，结果表明，所制得的BiVO4样品为单斜白钨矿结构，形貌为规整的26面多面体结构，尺寸约5μm，禁带宽度为2.33eV。
实施例2：
步骤1. 在搅拌条件下，将0.468g偏钒酸铵溶解于40mL热水（80℃）中，标记为A液；
步骤2. 在搅拌条件下，将1.940g硝酸铋溶解于40mL 4mol/L HNO3溶液中，标记为B液；
步骤3. 在室温搅拌条件下，将步骤2得到的B液逐滴加入步骤1得到的A液中，混合均匀；
步骤4. 向步骤3得到的混合溶液中依次加入0.08g十六烷基三甲基溴化铵和4g尿素，经搅拌、溶解后，于80℃下加热4h；
步骤5. 将步骤4得到的溶液转移至100mL反应釜内衬中，将密封好的反应釜置于恒温烘箱中于180℃下水热反应36h；
步骤6. 待自然冷却至室温后，取出样品对其进行抽滤，用去离子水和乙醇洗涤3次，将所得固体产物于60℃烘干12h，即可得到多面体状BiVO4微晶。
实施例3：
步骤1. 在搅拌条件下，将0.468g偏钒酸铵溶解于40mL热水（80℃）中，标记为A液；
步骤2. 在搅拌条件下，将1.940g硝酸铋溶解于40mL 4mol/L HNO3溶液中，标记为B液；
步骤3. 在室温搅拌条件下，将步骤2得到的B液逐滴加入步骤1得到的A液中，混合均匀；
步骤4. 向步骤3得到的混合溶液中依次加入0.08g十六烷基三甲基溴化铵和6g尿素，经搅拌、溶解后，于80℃下加热4h；
步骤5. 将步骤4得到的溶液转移至100mL反应釜内衬中，将密封好的反应釜置于恒温烘箱中于180℃下水热反应36h；
步骤6. 待自然冷却至室温后，取出样品对其进行抽滤，用去离子水和乙醇洗涤3次，将所得固体产物于60℃烘干12h，即可得到多面体状BiVO4微晶。
对比例1：
步骤1. 在搅拌条件下，将0.468g偏钒酸铵溶解于40mL热水（80℃）中，标记为A液；
步骤2. 在搅拌条件下，将1.940g硝酸铋溶解于40mL 4mol/L HNO3溶液中，标记为B液；
步骤3. 在室温搅拌条件下，将步骤2得到的B液逐滴加入步骤1得到的A液中，混合均匀；
步骤4. 向步骤3得到的混合溶液中依次加入0.08g十六烷基三甲基溴化铵和8g尿素，经搅拌、溶解后，于80℃下加热4h；
步骤5. 将步骤4得到的溶液转移至100mL反应釜内衬中，将密封好的反应釜置于恒温烘箱中于180℃下水热反应36h；
步骤6. 待自然冷却至室温后，取出样品对其进行抽滤，用去离子水和乙醇洗涤3次，将所得固体产物于60℃烘干12h，即可得到对比例1中的BiVO4样品。
经对比例1制得的BiVO4样品的扫描电子显微镜（SEM）照片如图4所示，从图中可以看出，当尿素的加入量为8g时，制得的BiVO4样品形貌杂乱无章，将不再是多面体结构。

Claims (1)

1.一种表面活性剂辅助的水热制备多面体状BiVO4微晶的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1. 在搅拌条件下，将0.468g偏钒酸铵溶解于40mL 80℃热水中，标记为A液；
步骤2. 在搅拌条件下，将1.940g硝酸铋溶解于40mL 4mol/L HNO3溶液中，标记为B液；
步骤3. 在室温搅拌条件下，将步骤2得到的B液逐滴加入步骤1得到的A液中，混合均匀；
步骤4. 向步骤3得到的混合溶液中依次加入0.08g十六烷基三甲基溴化铵和2-6g尿素，经搅拌、溶解后，于80℃下加热4h；
步骤5. 将步骤4得到的溶液转移至100mL反应釜内衬中，将密封好的反应釜置于恒温烘箱中于180℃下水热反应36h；
步骤6. 待自然冷却至室温后，取出样品对其进行抽滤，用去离子水和乙醇洗涤3次，将所得固体产物于60℃烘干12h，即可得到多面体状BiVO4微晶。
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