一种具有可见光光催化性能的BiVO4 粉体的制备方法

摘要

一种具有可见光光催化性能的BiVO4粉体的制备方法，将Bi(NO3)3·5H2O和NH4VO3分别溶于去离子水中，得到铋盐和钒盐溶液，按照Bi:V=1:1的摩尔比将铋盐和钒盐溶液混合，形成前驱体，调节前驱体的pH值为0.59～1.21，将前驱体移至反应釜中，设置微波水热反应温度为200℃，保温时间为40min，反应后将生成的黄色沉淀取出，洗涤，干燥，得到具有可见光光催化性能的BiVO4粉体。本发明以水作溶剂，未使用任何模板剂和表面活性剂快速合成了BiVO4粉体，操作简单，制备周期短，晶体规则，晶粒均一，结晶度高，分散性好，晶体形貌为正四棱双锥状、球状或菱形状，对罗丹明B有明显的降解作用。

说明书

【技术领域】

本发明属于材料的制备方法领域，具体涉及一种具有可见光光催 化性能的BiVO₄粉体的制备方法。

【背景技术】

1964年，Roht和Waring首次人工合成了单斜相钒酸铋，此后， 人们对BiVO₄的性质，应用及制备进行了越来越广泛的研究。BiVO₄是一种淡黄色的无机颜料，具有无毒、耐腐蚀性好、色泽明亮、铁弹 性、光催化性及对环境友好等优良性能。BiVO₄主要有三种晶型：四 方锆石型、单斜白钨矿型结构和四方白钨矿型结构。单斜白钨矿型结 构BiVO₄的禁带宽度为2.4eV，响应波段在550nm以内，位于可见光 的中央部分，是一种极富应用前景的新型可见光响应型光催化剂。

目前，已经有大量的研究证明，光催化剂的光催化性能与材料自 身的晶体结构、比表面积、晶粒尺寸和颗粒形貌等有很大关系。因此， 研究具有单斜白钨矿相，特殊形貌的BiVO₄微纳米颗粒就有重要意 义。彭秧等人在聚乙二醇/环己烷/水的乳液体系中,超声条件下制备 了能响应于太阳光的砖形BiVO₄微米棒光催化材料，砖形BiVO₄微 米棒光催化剂对亚甲基兰具有较强的降解作用,60min即可将亚甲基 兰近乎完全的光催化降解[彭秧,侯林瑞,原长洲.应用化学.2008,25: 485-488]。Jiang等人以乙醇、乙二醇乙烯为溶剂，以NaOH为pH调 节剂，分别以十二胺、油胺和油酸作为表面活性剂，采用乙醇-水热 法合成了多种形貌的BiVO₄粉体，研究发现，橄榄状多孔形貌的 BiVO₄粉体在可见光下光催化性能最好[Jiang,H.,et al.Applied  Catalysis B:Environmental.2011,105:326-334]。Lu等人采用水热法通 过调节H₂O与CH₃COOH的比例，加入一定量的PVP做分散剂，制 得了可见光下光催化性能优良的哑铃状的BiVO₄粉体[Lu,Y.,et al. Journal of Solid State Chemistry.2012,186:255-260]。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种具有可见光光催化性能的BiVO₄粉 体的制备方法，采用微波水热法以水为溶剂，在不采用任何表面活性 剂和分散剂的条件下制备出具有正四棱双锥形貌的单斜相BiVO₄光 催化剂。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有可见光光催化性能的BiVO₄粉体的制备方法，包括以下 步骤：

步骤1：将Bi(NO₃)₃·5H₂O溶于去离子水中，搅拌均匀，得铋盐 溶液，将NH₄VO₃溶于70℃的去离子水中，加热搅拌均匀，得钒盐 溶液，将铋盐溶液和钒盐溶液按照Bi:V=1:1的摩尔配比混合，搅拌 均匀，形成前驱体，用NaOH溶液控制前驱体的pH值为0.59～1.21;

步骤2：将前驱体转移至反应釜中；

步骤3：采用微波水热法反应至反应完全，反应完成后将生成的 黄色沉淀取出，洗涤，然后干燥，得到具有可见光光催化性能的BiVO₄粉体。

本发明进一步的改进在于：步骤3中微波水热法的工艺为：将反 应釜放到微波水热仪中，选择微波控温模式：室温至150℃，微波功 率为300W，150℃保温10min；150℃至200℃，微波功率为300W， 200℃保温为40min，200℃保温时的压力为2.0MPa。

本发明进一步的改进在于：所述的步骤1中Bi(NO₃)₃·5H₂O和 NH₄VO₃的用量均为0.01mol。

本发明进一步的改进在于：所述的步骤1中铋盐溶液和钒盐溶液 的浓度均为0.5mol/L。

本发明进一步的改进在于：所述步骤1中前驱体的pH值为0.59。

本发明进一步的改进在于：所述的步骤1中将Bi(NO₃)₃·5H₂O溶 于去离子水中搅拌30min；将NH₄VO₃溶于70℃的去离子水中加热搅 拌30min；将铋盐溶液和钒盐溶液混合后搅拌10min。

本发明进一步的改进在于：所述的步骤2中的反应釜的内衬为聚 四氟乙烯材质。

本发明进一步的改进在于：所述的步骤2中前驱体在反应釜中的 体积填充度为40%。

本发明进一步的改进在于：所述的步骤3中的洗涤为用去离子水 和无水乙醇各洗涤3次。

本发明进一步的改进在于：所述的步骤3中的干燥为在60℃下 干燥12h。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明以五水硝酸铋（Bi(NO₃)₃·5H₂O）和偏钒酸铵（NH₄VO₃） 为原料，采用微波水热法制备具有可见光光催化性能的BiVO₄粉体， 本发明绿色环保，操作简单，制备周期短；本发明所用的原料易得， 以水作溶剂，在未使用任何模板剂和表面活性剂条件下制得了BiVO₄晶体，在不同的pH值的条件下，分别制备出了单斜相及单斜相与四 方相混相的两种不同晶型的BiVO₄晶体，其中单斜相的BiVO₄晶体 的形貌呈正四棱双锥状，形貌规整，晶体规则，晶体表面光滑，晶粒 尺寸均一，结晶度高，分散性好，在可见光下具有较高的光催化性能； 单斜相与四方相混相的BiVO₄晶体的形貌为球状和正四棱双锥状或 菱形状的混合形貌，各形貌的晶粒尺寸均一，形貌规则，结晶度较高， 分散性较好，在可见光下具有一定的光催化性能。

【附图说明】

图1是本发明制备的BiVO₄粉体的XRD图；

图2是本发明制备的BiVO₄粉体的SEM图；

图3是本发明制备的BiVO₄粉体在可见光下对罗丹明B的降解 率曲线图。

【具体实施方式】

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

步骤1：将0.01mol的Bi(NO₃)₃·5H₂O溶于20mL的去离子水中，搅拌 30min，得铋盐溶液，将0.01mol的NH₄VO₃溶于20mL 70℃的去 离子水中，加热搅拌30min，得钒盐溶液，将铋盐溶液和钒盐溶 液按照Bi:V=1∶1的摩尔配比混合，搅拌10min，形成前驱体，用 NaOH溶液调节前驱体的pH值为0.59;

步骤2：将前驱体转移至内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，前驱体在反 应釜中的体积填充度为40%；

步骤3：采用微波水热法，将反应釜放到微波水热仪中，选择微波控 温模式：室温至150℃，微波功率为300W，150℃保温10min；150℃ 至200℃，微波功率为300W，200℃保温为40min，200℃保温时的 压力为2.0MPa；反应完成后将生成的黄色沉淀取出，用去离子水和 无水乙醇洗涤3次，然后在60℃下干燥12h，得到具有可见光光催化 性能的BiVO₄粉体。

实施例2：

步骤1：将0.01mol的Bi(NO₃)₃·5H₂O溶于20mL的去离子水中，搅拌 30min，得铋盐溶液，将0.01mol的NH₄VO₃溶于20mL 70℃的去 离子水中，加热搅拌30min，得钒盐溶液，将铋盐溶液和钒盐溶 液按照Bi:V=1∶1的摩尔配比混合，搅拌10min，形成前驱体，用 NaOH溶液调节前驱体的pH值为0.70;

步骤2：将前驱体转移至内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，前驱体在反 应釜中的体积填充度为40%；

步骤3：采用微波水热法，将反应釜放到微波水热仪中，选择微波控 温模式：室温至150℃，微波功率为300W，150℃保温10min；150℃ 至200℃，微波功率为300W，200℃保温为40min，200℃保温时的 压力为2.0MPa；反应完成后将生成的黄色沉淀取出，用去离子水和 无水乙醇洗涤3次，然后在60℃下干燥12h，得到具有可见光光催化 性能的BiVO₄粉体。

实施例3：

步骤1：将0.01mol的Bi(NO₃)₃·5H₂O溶于20mL的去离子水中，搅拌 30min，得铋盐溶液，将0.01mol的NH₄VO₃溶于20mL 70℃的去 离子水中，加热搅拌30min，得钒盐溶液，将铋盐溶液和钒盐溶 液按照Bi:V=1∶1的摩尔配比混合，搅拌10min，形成前驱体，用 NaOH溶液调节前驱体的pH值为1.21;

步骤2：将前驱体转移至内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，前驱体在反 应釜中的体积填充度为40%；

步骤3：采用微波水热法，将反应釜放到微波水热仪中，选择微波控 温模式：室温至150℃，微波功率为300W，150℃保温10min；150℃ 至200℃，微波功率为300W，200℃保温为40min，200℃保温时的 压力为2.0MPa；反应完成后将生成的黄色沉淀取出，用去离子水和 无水乙醇洗涤3次，然后在60℃下干燥12h，得到具有可见光光催化 性能的BiVO₄粉体。

采用XRD测定实施例1至实施例3制备出的BiVO₄粉体的物 相组成，图1是本发明制备的BiVO₄粉体的XRD图，其中(a)、(b)、 (c)分别为实施例1、实施例2和实施例3制备的BiVO₄粉体的XRD 图。从图1中可以看出实例1制得的BiVO₄样品的所有衍射峰与PDF 卡片(JCPDS NO.14-068)完全吻合，说明制得的BiVO₄粉体为单斜白 钨矿相，并且衍射峰的强度很高，说明晶体的结晶性良好，而实例2 和实例3制得的BiVO₄粉体是单斜相和四方相的混相。

图2是本发明制备的BiVO₄粉体的SEM图，其中(a)和(b)为实例 1制得的BiVO₄粉体的SEM图，(c)是实例2制得的BiVO₄粉体SEM 图，(d)是实例3制得的BiVO₄粉体SEM图。从图2(a)中可以看出实 例1制得的BiVO₄粉体颗粒的形貌为边长为2-3μm的单斜相正四棱 双锥状，分散均匀，图2(b)为图2(a)的放大图，从图2(b)中可以看出， 正四棱双锥状形貌规整，表面光滑，说明晶体结晶性非常好。图2(c) 为四方相球状和单斜相正四棱双锥状混合粉体，图2(d)为四方相球状 和单斜相菱形状混合粉体。图2(c)和图2(d)中各形貌的晶粒尺寸均一， 形貌规则，结晶度较高，分散性较好。

图3是本发明制备的BiVO₄粉体在可见光下对罗丹明B的降解 率曲线图，其中(a)、(b)、(c)分别为实施例1、实施例2和实施例3 制备的BiVO₄粉体在可见光下对罗丹明B的降解率曲线，(d)为不添 加光催化剂时罗丹明B的降解率曲线，从图3中可以看出实例1制得 的正四棱双锥状BiVO₄粉体在可见光下光催化活性明显高于实例2 和实例3制备的BiVO₄粉体的光催化活性，实例2和实例3制备的 BiVO₄粉体也具有一定的光催化活性。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方 式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案 采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。