CN114308097A - 一种氮/铁酸铋-石墨烯复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氮/铁酸铋‑石墨烯复合材料的制备方法，属于光催化剂制备技术领域。本发明解决了现有BiFeO₃的光催化性能不高的技术问题。本发明利用N阴离子大小接近于ABO₃结构中的氧，将其掺杂到BiFeO₃中，形成新的价带，从而减小材料的带隙，提高对太阳光的利用率，且新的能带结构也更有利于电荷的迁移和分离，最终达到改变光催化剂性能的目的。本发明利用石墨烯是合成的能隙为零的二维半导体的这种特殊性质有利于BiFeO₃材料光生电子在复合物表面的传输，有效抑制BiFeO₃的光生电子与空穴的复合，继而改善BiFeO₃材料的可见光光催化活性。此外，本发明合成工艺简单，操作方便，成本低，易于实现工业化生产。

Description

一种氮/铁酸铋-石墨烯复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种氮/铁酸铋-石墨烯复合材料的制备方法，属于光催化剂制备技术领域。

背景技术

经济的快速发展伴随着能源短缺和环境污染问题的出现，可见光催化技术被认为是解决目前能源短缺问题和环境污染问题的有效途径，在众多光催化剂中，BiFeO₃由于其化学性质稳定、禁带宽度较小等优点，得到人们的青睐。然而，由于其存在有限的可见光吸收、电子空穴复合率高、导电性差等问题，使得其在光催化领域的应用受到限制。

发明内容

本发明为了解决现有BiFeO₃的光催化性能不高的技术问题，提供一种氮/铁酸铋-石墨烯复合材料的制备方法。

本发明的技术方案：

一种氮/铁酸铋-石墨烯复合材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

步骤1，将氧化石墨加入到水中，超声处理，得到氧化石墨悬浮液；

步骤2，将乙酰丙酮铁、硝酸铋、柠檬酸和三聚氰胺加入到步骤1获得的氧化石墨悬浮液中，磁力搅拌至均匀，得到前驱体溶液；

步骤3，将步骤2获得的前驱体溶液转移至反应釜中，160℃水热反应20h，离心后干燥，干燥后进行焙烧，得到N/BiFeO₃-石墨烯复合材料。

进一步限定，步骤1中氧化石墨和水的质量体积比为0.5g：80mL。

进一步限定，乙酰丙酮铁、硝酸铋和柠檬酸的化学计量为1:1:1。

进一步限定，三聚氰胺与乙酰丙酮铁的摩尔比为(1～2.5)mmol：0.01mol。

进一步限定，步骤1中超声处理时间为1h。

进一步限定，步骤3中焙烧处理温度为300℃焙烧3h，600℃焙烧2h。

本发明有益效果：

(1)本发明利用N阴离子大小接近于ABO₃结构中的氧，将其掺杂到BiFeO₃中，使材料形成新的价带，从而减小材料的带隙，提高其对太阳光的利用率，此外，新的能带结构也更有利于电荷的迁移和分离，最终达到改变光催化剂性能的目的。

(2)本发明利用石墨烯是合成的能隙为零的二维半导体的这种特殊性质可以利于BiFeO₃材料光生电子在复合物表面的传输，从而有效抑制BiFeO₃的光生电子与空穴的复合，继而改善BiFeO₃材料的可见光光催化活性。

(3)此外，本发明合成工艺简单，操作方便，成本低，易于实现工业化生产。

附图说明

图1为对比例1及实施例1～4的N/BiFeO₃-石墨烯复合材料的XRD谱图；

图2为实施例2的N/BiFeO₃-石墨烯复合材料的SEM图；

图3为对比例1及实施例1～4的N/BiFeO₃-石墨烯复合材料的光催化降解图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。

对比例1：

称取0.5g的氧化石墨样品加入到80mL的水中，超声1h，得到氧化石墨悬浮液。

将0.01mol乙酰丙酮铁、0.01mol硝酸铋和0.01mol柠檬酸加入到氧化石墨悬浮液中，磁力搅拌1h，待溶液搅拌均匀后转移至100mL反应釜中，160℃水热反应20h，最后将水热产物置于真空干燥箱中充分干燥，在300℃焙烧3h，600℃焙烧2h，自然降温，即得到N/BiFeO₃-石墨烯复合材料，简称为a。

实施例1：

称取0.5g的氧化石墨样品加入到80mL的水中，超声1h，得到氧化石墨悬浮液。

将0.01mol乙酰丙酮铁、0.01mol硝酸铋、0.01mol柠檬酸和1.0mmol三聚氰胺加入到氧化石墨悬浮液中，磁力搅拌1h，待溶液搅拌均匀后转移至100mL反应釜中，160℃水热反应20h，最后将水热产物置于真空干燥箱中充分干燥，在300℃焙烧3h，600℃焙烧2h，自然降温，即得到N/BiFeO₃-石墨烯复合材料，简称为b。

实施例2：

称取0.5g的氧化石墨样品加入到80mL的水中，超声1h，得到氧化石墨悬浮液。

将0.01mol乙酰丙酮铁、0.01mol硝酸铋、0.01mol柠檬酸和1.5mmol三聚氰胺加入到氧化石墨悬浮液中，磁力搅拌1h，待溶液搅拌均匀后转移至100mL反应釜中，160℃水热反应20h，最后将水热产物置于真空干燥箱中充分干燥，在300℃焙烧3h，600℃焙烧2h，自然降温，即得到N/BiFeO₃-石墨烯复合材料，简称为c。

实施例3：

称取0.5g的氧化石墨样品加入到80mL的水中，超声1h，得到氧化石墨悬浮液。

将0.01mol乙酰丙酮铁、0.01mol硝酸铋、0.01mol柠檬酸和2.0mmol三聚氰胺加入到氧化石墨悬浮液中，磁力搅拌1h，待溶液搅拌均匀后转移至100mL反应釜中，160℃水热反应20h，最后将水热产物置于真空干燥箱中充分干燥，在300℃焙烧3h，600℃焙烧2h，自然降温，即得到N/BiFeO₃-石墨烯复合材料，简称为d。

实施例4：

称取0.5g的氧化石墨样品加入到80mL的水中，超声1h，得到氧化石墨悬浮液。

将0.01mol乙酰丙酮铁、0.01mol硝酸铋、0.01mol柠檬酸和2.5mmol三聚氰胺加入到氧化石墨悬浮液中，磁力搅拌1h，待溶液搅拌均匀后转移至100mL反应釜中，160℃水热反应20h，最后将水热产物置于真空干燥箱中充分干燥，在300℃焙烧3h，600℃焙烧2h，自然降温，即得到N/BiFeO₃-石墨烯复合材料，简称为e。

性能表征及分析：

具有不同氮含量N/BiFeO₃-石墨烯复合材料的XRD曲线如图1所示，从图中可以看出，石墨烯的添加并没有改变钙钛矿的结构。N掺杂之后BiFeO₃的菱形结构未显示出任何显著的变化，仅仅是BiFeO₃衍射峰峰强度变强，可以理解为与O原子(0.14nm)相比，N具有更大的离子半径(0.161nm)。

图2为实施例2的N/BiFeO₃-石墨烯复合材料的SEM照片，据图可知，N/BiFeO₃颗粒与石墨烯结合紧密，两者通过静电作用力形成N/BiFeO₃颗粒均匀负载在石墨烯片层的复合结构。

图3为对比例1及实施例1～4的N/BiFeO₃-石墨烯复合材料对亚甲基蓝溶液(5mg/L)的光催化活性，由图可知，实施例2的N/BiFeO₃-石墨烯复合材料表现出优异的可见光光催化活性，催化活性高达94.77％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，鉴于本发明所属领域的技术人员可以对上述实施方式进行适当的变更和修改，因此，本发明并不局限于上面所述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种氮/铁酸铋-石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：

步骤1，将氧化石墨加入到水中，超声处理，得到氧化石墨悬浮液；

步骤2，将乙酰丙酮铁、硝酸铋、柠檬酸和三聚氰胺加入到步骤1获得的氧化石墨悬浮液中，磁力搅拌至均匀，得到前驱体溶液；

步骤3，将步骤2获得的前驱体溶液转移至反应釜中，160℃水热反应20h，离心后干燥，干燥后进行焙烧，得到N/BiFeO₃-石墨烯复合材料。

2.根据权利要求1所述的一种氮/铁酸铋-石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中氧化石墨和水的质量体积比为0.5g：80mL。

3.根据权利要求1所述的一种氮/铁酸铋-石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述的乙酰丙酮铁、硝酸铋和柠檬酸的摩尔比为1:1:1。

4.根据权利要求1所述的一种氮/铁酸铋-石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述的三聚氰胺与乙酰丙酮铁的摩尔比为(1～2.5)mmol：0.01mol。

5.根据权利要求1所述的一种氮/铁酸铋-石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中超声处理时间为1h。

6.根据权利要求1所述的一种氮/铁酸铋-石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中焙烧处理温度为300℃焙烧3h，600℃焙烧2h。

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