CN112452342A - 一种Co掺杂Bi2O2S催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及Co掺杂Bi2O2S催化剂的制备方法，以五水硝酸铋、硫脲、氢氧化锂、六水合氯化钴为原料，采用水热法制得Co掺杂Bi2O2S催化剂。Co掺杂Bi2O2S催化剂在活化过硫酸盐催化降解有机污染物中的应用。Bi2O2S具有相对稳定性和低成本特性，Bi2O2S的独特结构有益于其修饰，从而增强其催化活性，因此，Bi2O2S用作钴离子的载体来制备Co掺杂的Bi2O2S催化剂，并通过活化过硫酸盐(PMS)催化降解污染物的性能良好，且易回收；采用水热合成的制备方法，具有操作简单、安全、成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及高级氧化及新材料技术领域，具体涉及一种Co掺杂Bi2O2S催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，由于化工行业的快速发展，其排放出来的废水中含有大量有机化学品，如染料、抗生素、酚类及内分泌干扰物等难降解有机污染物，这类有机物具有高毒性与生物蓄积性，即使在低浓度下也能对生态食物链产生毒理效应，然而，传统的物理、化学结合生物的水处理工艺不能将这类有机污染物有效降解，其排入水体后对生态环境与人类健康均造成了潜在的危害。
高级氧化技术(AOPs)处理有毒难降解有机污染物效果显著、反应彻底、环境友好，在环境污染治理方面具有广阔的应用潜力。传统的AOPs主要指的是基于·OH的技术，后来由于技术的发展，将以SO4·-为主要活性分子氧化降解有机物的技术也归为AOPS，通常是利用活化过硫酸盐的方式产生SO4·-。基于硫酸根自由基氧化原理的活化过硫酸盐氧化法因其经济、高效、环境友好、安全稳定等优点,在降解有机污染物方面得到了越来越多的研究和应用。过渡金属可在常温下活化过硫酸盐，可活化过硫酸盐的过渡金属主要包括过渡金属离子(Fe2+，Co2+，Ti3+，Cu2+，Ag+，Mn2+)即均相反应体系，过渡金属单质及固体氧化物(零价铁等)即非均相反应体系，然而，均相钴基类芬顿体系受到诸多限制，首先，高浓度钴离子的投入使其残渣成为一个长期问题；其次，钴离子的存在形态依赖于反应溶液pH，其在碱性pH下形成的氢氧化物沉淀及酸性环境下形成的水合物均不利于催化反应的进行，此外，钴离子的回收困难，一般需要多步操作，这在技术和经济上均不太现实，相较于此，非均相催化剂具有易于回收的优势，且对环境的危害更小，因此非均相类芬顿体系近些年在有机污染物降解中得到越来越广泛的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种Co掺杂Bi2O2S催化剂及其制备方法和应用，以克服上述现有技术中的不足。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种Co掺杂Bi2O2S催化剂的制备方法，步骤如下：
以五水硝酸铋、硫脲、氢氧化锂、六水合氯化钴为原料，采用水热法制得Co掺杂Bi2O2S催化剂。
进一步，包括如下步骤：
S100、将五水硝酸铋和硫脲混合于去离子水中，得到混合溶液A；
S200、向混合溶液A中加入氢氧化锂，搅拌至红褐色，得到混合溶液B；
S300、按铋离子和钴离子的摩尔比为20:1～5:1称取六水合氯化钴，并将其加入至混合溶液B中，得到混合溶液C；
S400、将混合溶液C转移至反应釜中，180℃～220℃水热处理60h～80h，洗涤干燥，得到Co掺杂Bi2O2S催化剂。进一步，步骤S100中五水硝酸铋和硫脲的摩尔比为2:1。
进一步，步骤S200中氢氧化锂的加入量为2g。
进一步，步骤S200中洗涤采用纯水洗涤，干燥温度为60℃～70℃，时间为4h～6h。
进一步，步骤S400具体为：将混合溶液C转移至反应釜中，200℃水热处理72h，洗涤干燥，得到Co掺杂Bi2O2S催化剂。
一种Co掺杂Bi2O2S催化剂由上述制备方法所制得。
一种由上述制备方法所制得的Co掺杂Bi2O2S催化剂在活化过硫酸盐催化降解有机污染物中的应用。
本发明的有益效果是：
Bi2O2S具有相对稳定性和低成本特性，Bi2O2S的独特结构有益于其修饰，从而增强其催化活性，因此，Bi2O2S用作钴离子的载体来制备Co掺杂的Bi2O2S催化剂，并通过活化过硫酸盐(PMS)催化降解污染物的性能良好，且易回收；采用水热合成的制备方法，具有操作简单、安全、成本低等优点；氢氧化锂的作用是作为碱性矿化剂，对晶体的生长方向有着调节作用。
附图说明
图1为Bi2O2S(表示为BiOS)及实施例1、实施例2和实施例3分别制得的Co掺杂Bi2O2S催化剂的XRD图谱；
图2为Bi2O2S(表示为BiOS)及实施例1、实施例2和实施例3分别制得的Co掺杂Bi2O2S催化剂对四环素的降解效果图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
在本发明中，所制备的Co掺杂Bi2O2S催化剂的催化性能是通过活化过硫酸盐催化降解四环素(TC)溶液进行评估的。实验过程如下：称取0.05g的Co掺杂Bi2O2S催化剂加入100mL 30mg/L的四环素(TC)溶液中，搅拌0.5h使催化剂与污染物混合均匀并达到吸附平衡，取5mL至离心管中，并加入1mL甲醇，然后向烧杯中迅速加入0.03g PMS，使其在自然光条件下进行反应，开始计时，前10min每隔2min取5mL样至离心管中，并加入1mL甲醇，后20min每隔5min取5mL样至离心管中，并加入1mL甲醇，高速离心后，在TC的最大吸收波长357nm处测其吸光度，由此计算出催化剂对TC的降解率，进而对Co掺杂Bi2O2S催化剂的催化降解性能进行评估。
实施例1
一种Co掺杂Bi2O2S催化剂的制备方法，包括如下步骤：
按五水硝酸铋和硫脲的摩尔比为2:1称取4mmol五水硝酸铋和2mmol硫脲，并将其混合于去离子水中，搅拌10min，得到混合溶液A；
向混合溶液A中加入2g氢氧化锂，搅拌1h，得到混合溶液B；
按铋离子和钴离子的摩尔比为10:0.5称取0.2mmol六水合氯化钴，向混合溶液B中加入称好的六水合氯化钴，搅拌30min，得到混合溶液C；
将混合溶液C转移至反应釜中，200℃水热处理72h，反应结束后，冷却至室温，然后将得到的产物用纯水洗涤5次，在60℃的恒温条件下干燥6h后，得到Co掺杂Bi2O2S催化剂，标记为CBOS-0.05。
如图1所示，CBOS-0.05样品的XRD衍射峰位置与Bi2O2S(JCPDS34-1493)标准峰位置相同，且未发现钴的氧化物的衍射峰，表明材料制备成功。
该实施例制得的CBOS-0.05催化剂用于催化降解TC溶液，投加量为0.5g/L，TC溶液初始浓度为30mg/L，PMS投加量为0.3g/L，30min后CBOS-0.05催化剂对TC的降解率约为61％(见图2)；相同条件下，Bi2O2S催化剂对TC的降解率约为38％，说明此方法制备的Co掺杂Bi2O2S催化剂具有良好的催化降解性能。
实施例2
一种Co掺杂Bi2O2S催化剂的制备方法，包括如下步骤：
按五水硝酸铋和硫脲的摩尔比为2:1称取4mmol五水硝酸铋和2mmol硫脲，并将其混合于去离子水中，搅拌10min，得到混合溶液A；
向混合溶液A中加入2g氢氧化锂，搅拌1h，得到混合溶液B；
按铋离子和钴离子的摩尔比为10:1称取0.4mmol六水合氯化钴，向混合溶液B中加入称好的六水合氯化钴，搅拌30min，得到混合溶液C；
将混合溶液C转移至反应釜中，200℃水热处理72h，反应结束后，冷却至室温，然后将得到的产物用纯水洗涤5次，在65℃的恒温条件下干燥5h后，得到Co掺杂Bi2O2S催化剂，标记为CBOS-0.10。
如图1所示，CBOS-0.10样品的XRD衍射峰位置与Bi2O2S(JCPDS 34-1493)标准峰位置相同，且未发现钴的氧化物的衍射峰，表明材料制备成功。
该实施例制得的CBOS-0.10催化剂用于催化降解TC溶液，投加量为0.5g/L，TC溶液初始浓度为30mg/L，PMS投加量为0.3g/L，30min后CBOS-0.10催化剂对TC的降解率约为72％(见图2)；相同条件下，Bi2O2S催化剂对TC的降解率约为38％，说明此方法制备的Co掺杂Bi2O2S催化剂具有良好的催化降解性能。
实施例3
一种Co掺杂Bi2O2S催化剂的制备方法，包括如下步骤：
按五水硝酸铋和硫脲的摩尔比为2:1称取4mmol五水硝酸铋和2mmol硫脲，并将其混合于去离子水中，搅拌10min，得到混合溶液A；
向混合溶液A中加入2g氢氧化锂，搅拌1h，得到混合溶液B；
按铋离子和钴离子的摩尔比为10:2称取0.8mmol六水合氯化钴，向混合溶液B中加入称好的六水合氯化钴，搅拌30min，得到混合溶液C；
将混合溶液C转移至反应釜中，200℃水热处理72h，反应结束后，冷却至室温，然后将得到的产物用纯水洗涤5次，在70℃的恒温条件下干燥4h后，得到Co掺杂Bi2O2S催化剂，标记为CBOS-0.20。
如图1所示，CBOS-0.20样品的XRD衍射峰位置与Bi2O2S(JCPDS34-1493)标准峰位置相同，且未发现钴的氧化物的衍射峰，表明材料制备成功。
该实施例制得的CBOS-0.20催化剂用于催化降解TC溶液，投加量为0.5g/L，TC溶液初始浓度为30mg/L，PMS投加量为0.3g/L，30min后CBOS-0.20催化剂对TC的降解率约为78％(见图2)；相同条件下，Bi2O2S催化剂对TC的降解率约为38％，说明此方法制备的Co掺杂Bi2O2S催化剂具有良好的催化降解性能。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种Co掺杂Bi2O2S催化剂的制备方法，其特征在于，步骤如下：
以五水硝酸铋、硫脲、氢氧化锂、六水合氯化钴为原料，采用水热法制得Co掺杂Bi2O2S催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种Co掺杂Bi2O2S催化剂的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S100、将五水硝酸铋和硫脲混合于去离子水中，得到混合溶液A；
S200、向混合溶液A中加入氢氧化锂，搅拌至红褐色，得到混合溶液B；
S300、按铋离子和钴离子的摩尔比为20:1～5:1称取六水合氯化钴，并将其加入至混合溶液B中，得到混合溶液C；
S400、将混合溶液C转移至反应釜中，200℃水热处理72h，洗涤干燥，得到Co掺杂Bi2O2S催化剂。
3.根据权利要求2所述的一种Co掺杂Bi2O2S催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤S100中五水硝酸铋和硫脲的摩尔比为2:1。
4.根据权利要求2所述的一种Co掺杂Bi2O2S催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤S200中氢氧化锂的加入量为2g。
5.根据权利要求2所述的一种Co掺杂Bi2O2S催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤S400中洗涤采用纯水洗涤，干燥温度为60℃～70℃，时间为4h～6h。
6.一种Co掺杂Bi2O2S催化剂由权利要求1～5任一项所述的制备方法所制得。
7.一种由权利要求1～6任一项所述Co掺杂Bi2O2S催化剂的制备方法所制得的Co掺杂Bi2O2S催化剂在活化过硫酸盐催化降解有机污染物中的应用。
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