本發(fā)明涉及一種納米多鉍磷酸鈉粉體光催化劑及其制備方法，屬于光催化劑技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

紡織、造紙、塑料、皮革等工業(yè)排出的廢水中含有大量的有毒染料，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，這些染料通常都有著復(fù)雜的芳香族分子結(jié)構(gòu)，在環(huán)境中非常穩(wěn)定，很難被生物降解，所以，如何高效地去除廢水中的這些污染物是科學(xué)界亟待解決的問題。在過去的幾十年時(shí)間里，半導(dǎo)體材料光催化劑不斷發(fā)展，并成為最有前景的綠色化學(xué)技術(shù)之一。其中大量有關(guān)TiO₂基光催化材料在紫外光輻照下降解染料的研究被報(bào)導(dǎo)，然而這類光催化劑的禁帶寬度（3.8eV）較寬，可吸收的光波主要位于紫外區(qū)，對(duì)可見光的吸收較少，這嚴(yán)重限制了其應(yīng)用。因此，發(fā)展一種新型高效的光催化劑一直是光催化領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)。通過大量的探索與研究，發(fā)現(xiàn)鉍基化合物有著較高的光催化活性，而且在其中引入堿土金屬可有效地減小禁帶寬度。研究表明，非金屬含氧酸鹽BiPO₄在紫外光照射下降解有機(jī)污染物時(shí)表現(xiàn)出良好的光致氧化性能，這主要是由于(PO₄)^3-中包含大量的負(fù)電荷，使得這些磷酸鹽保留了大量的偶極子，而這些偶極子進(jìn)而促使光生電荷分離。由此，在鉍基磷酸鹽中引入堿土金屬是一項(xiàng)非常有意義的工作。新型納米光催化劑材料NaBi₇P₂O₁₆有著良好的光催化性能和吸收紫外光的能力，與TiO₂相比，納米多鉍磷酸鈉的禁帶寬度（3.44eV）較窄，光響應(yīng)范圍更廣，是一種具有潛在應(yīng)用價(jià)值的污水凈化光催化劑。

目前，鮮有關(guān)于納米多鉍磷酸鈉粉體制備方法的報(bào)導(dǎo)，且制備與其同屬鉍基磷酸鹽的Na₃Bi(PO₄)₂和Na₃Bi₂(PO₄)₃時(shí)所用的方法多為固相反應(yīng)法。從光催化劑的性能和合成工藝方面考慮，該制備方法有一些不足之處，例如：該方法需要較高的燒結(jié)溫度，這會(huì)造成大量能源損耗，不宜進(jìn)行產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)，而且溫度過高會(huì)使得產(chǎn)品顆粒長(zhǎng)大，粒徑分布不均勻，顆粒之間容易團(tuán)聚。因此，尋求一種更為經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便的方法來制備粒徑小、分散均勻、光催化效率高的納米多鉍磷酸鈉粉體光催化劑具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有多鉍磷酸鈉粉體合成技術(shù)存在的不足，提供一種具有高效光催化性能、分散均勻、原料易得、制備周期短、能耗低、操作簡(jiǎn)便的納米多鉍磷酸鈉粉體光催化劑及其制備方法。

為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種制備納米多鉍磷酸鈉粉體光催化劑的方法，包括如下步驟：

①按質(zhì)量比1:8～1:16，將含鉍的硝酸鹽與含鈉、磷的磷酸鹽混合，研磨15～60分鐘后得到充分混合均勻的原料；

②將原料置于聚四氟乙烯容器中，再將聚四氟乙烯容器置于不銹鋼反應(yīng)釜內(nèi)，反應(yīng)釜密封后置于恒溫烘箱中，在溫度為120～200℃的條件下反應(yīng)6～48h；

③反應(yīng)完成后，待產(chǎn)物自然冷卻至室溫，取出后置于溫度為50～70℃的去離子水中浸泡0.5～6h，再經(jīng)離心、洗滌、烘干處理，得到一種納米多鉍磷酸鈉粉體光催化劑，其分子式為NaBi₇P₂O₁₆。

本發(fā)明所述的含鉍的硝酸鹽為Bi(NO₃)₃·5H₂O。

所述的含鈉、磷的磷酸鹽為Na₃PO₄·12H₂O。

制備方法中，步驟①中，含鉍的硝酸鹽與含鈉、磷的磷酸鹽的質(zhì)量比為1:12；研磨時(shí)間為30分鐘。

步驟②中，恒溫烘箱內(nèi)的反應(yīng)溫度為180℃；反應(yīng)時(shí)間為12h。

步驟③中，去離子水的溫度為60℃；浸泡時(shí)間為1h。

本發(fā)明技術(shù)方案還包括按上述制備方法得到的納米多鉍磷酸鈉粉體光催化劑。

本發(fā)明的原理是：利用化合物Na₃PO₄·12H₂O在78℃以上很容易被融化為熔鹽，以及原料Bi(NO₃)₃·5H₂O在熔鹽內(nèi)的液相傳質(zhì)，進(jìn)而使得兩種反應(yīng)物之間能夠充分接觸反應(yīng)，有效避免了原料混合不均或成分偏析等現(xiàn)象。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益技術(shù)效果：

1、本發(fā)明提供的納米多鉍磷酸鈉粉體光催化劑的制備方法，其原料簡(jiǎn)單，易混合，反應(yīng)溫度低，有利于得到粒度小的納米粉體；且制備周期短，重復(fù)性好，制備方法簡(jiǎn)單，易于操作。

2、按本發(fā)明技術(shù)方案所制備的納米粉體光催化劑純度高，結(jié)晶性好，粒徑小，分散性好，光催化效率高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1制備的納米多鉍磷酸鈉粉體光催化劑的X射線粉末衍射圖譜；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例1制備的納米多鉍磷酸鈉粉體光催化劑的SEM圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例1制備的納米多鉍磷酸鈉粉體光催化劑的TEM圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例1制備的納米多鉍磷酸鈉粉體光催化劑的紫外漫反射吸收光譜，插圖為其禁帶寬度計(jì)算圖譜；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例1制備的納米多鉍磷酸鈉粉體光催化劑降解甲基橙過程（C/C₀）圖譜，其中C₀為甲基橙溶液的原始濃度，C為不同時(shí)刻的甲基橙溶液濃度；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例1制備的納米多鉍磷酸鈉粉體光催化劑降解甲基橙的光催化循環(huán)圖，粉體經(jīng)過5次循環(huán)回收，圖中橫坐標(biāo)為光照時(shí)間，縱坐標(biāo)為（C/C₀）。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步的闡釋。

實(shí)施例1：

將Bi(NO₃)₃·5H₂O和Na₃PO₄·12H₂O以質(zhì)量比1:12稱量，放入瑪瑙研缽中，研磨30分鐘，使兩種原料充分混合均勻；將得到的混合物裝入30mL聚四氟乙烯容器中，再將聚四氟乙烯罐放入不銹鋼反應(yīng)釜內(nèi)，擰緊螺口使其密封，并放入恒溫烘箱中，升溫至180℃，溫度保持12h恒定；反應(yīng)完成后，待自然冷卻至室溫，取出反應(yīng)物放入60℃的去離子水中，浸泡1h，再經(jīng)離心、洗滌、烘干等步驟，得到納米多鉍磷酸鈉粉體光催化劑。這種納米粉體光催化劑的粒度約為30～100nm。

參見附圖1，它是本實(shí)施例制備的納米多鉍磷酸鈉粉體光催化劑的XRD衍射圖譜，從圖1中可以看出，粉體的衍射峰都與標(biāo)準(zhǔn)JCPDS卡片（No. 44-0188）相對(duì)應(yīng)，且無雜峰存在，說明所合成的納米粉體光催化劑為純相NaBi₇P₂O₁₆，衍射峰強(qiáng)度高而且尖銳，說明該粉體結(jié)晶性良好。

參見附圖2，它是本實(shí)施例制備的納米多鉍磷酸鈉粉體光催化劑的形貌SEM圖片，從圖2中可以看出，粉體的形貌呈不規(guī)則納米薄板狀，薄板邊緣清晰，棱角尖銳，說明粉體的結(jié)晶性良好，且分散性好。

參見附圖3，它是本實(shí)施例制備的納米多鉍磷酸鈉粉體光催化劑的形貌TEM圖片，從圖3中可以看出，粉體粒度在30～100nm，厚度約40nm，顆粒有一定的形狀。

參見附圖4，它是本實(shí)施例制備的納米多鉍磷酸鈉粉體光催化劑的紫外漫反射吸收光譜，插圖為其禁帶寬度計(jì)算圖譜。從圖4中可以看出，納米多鉍磷酸鈉粉體在300nm～400nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)出現(xiàn)了明顯的紫外吸收帶，與插圖計(jì)算得出的直接帶寬度值3.44eV（361nm）相一致。

參見附圖5，它是本實(shí)施例制備的納米多鉍磷酸鈉粉體光催化劑（0.1g）在紫外光照射下降解100mL甲基橙（10mg/L）過程（C/C₀）圖譜，其中C₀為甲基橙溶液的原始濃度，C為不同時(shí)刻的甲基橙溶液濃度。從圖5中可以看出，30分鐘內(nèi)甲基橙的降解率為97%。

參見附圖6，它是本實(shí)施例制備的納米多鉍磷酸鈉粉體光催化劑在紫外光下的光催化循環(huán)圖，取0.1g的粉體，在每次光催化反應(yīng)結(jié)束后，通過離心的方式將樣品收集起來，干燥之后重新用來降解相同體積相同濃度的甲基橙溶液，依次重復(fù)上述步驟五次，圖中橫坐標(biāo)為光照時(shí)間，縱坐標(biāo)為（C/C₀）。從圖6中可以看出，經(jīng)過五次循環(huán)回收之后，NaBi₇P₂O₁₆粉體對(duì)甲基橙溶液的光催化效率依然保持在72%。

實(shí)施例2：

將Bi(NO₃)₃·5H₂O和Na₃PO₄·12H₂O以質(zhì)量比1:8稱量，放入瑪瑙研缽中，研磨30分鐘，使兩種原料充分混合均勻；將混合物裝入30mL聚四氟乙烯容器中，再將聚四氟乙烯罐放入不銹鋼反應(yīng)釜內(nèi)，擰緊螺口使其密封，并放入恒溫烘箱中，升溫至180℃，溫度保持12h恒定；反應(yīng)完成后，待自然冷卻至室溫，取出反應(yīng)物放入60℃的去離子水中，浸泡1h，再經(jīng)離心、洗滌、烘干等步驟，得到納米多鉍磷酸鈉粉體光催化劑。

實(shí)施例3：

將Bi(NO₃)₃·5H₂O和Na₃PO₄·12H₂O以質(zhì)量比1:10稱量，放入瑪瑙研缽中，研磨30分鐘，使兩種原料充分混合均勻；之后將混合物裝入30mL聚四氟乙烯容器中，再將聚四氟乙烯罐放入不銹鋼反應(yīng)釜內(nèi)，擰緊螺口使其密封，并放入恒溫烘箱中，升溫至180℃，溫度保持12h恒定；反應(yīng)完成后，待自然冷卻至室溫，取出反應(yīng)物放入60℃的去離子水中，浸泡1h，再經(jīng)離心、洗滌、烘干等步驟，得到納米多鉍磷酸鈉粉體光催化劑。

實(shí)施例4：

將Bi(NO₃)₃·5H₂O和Na₃PO₄·12H₂O以質(zhì)量比1:14稱量，放入瑪瑙研缽中，研磨30分鐘，使兩種原料充分混合均勻；之后將混合物裝入30mL聚四氟乙烯容器中，再將聚四氟乙烯罐放入不銹鋼反應(yīng)釜內(nèi)，擰緊螺口使其密封，并放入恒溫烘箱中，升溫至180℃，溫度保持12h恒定；反應(yīng)完成后，待自然冷卻至室溫，取出反應(yīng)物放入60℃的去離子水中，浸泡1h，再經(jīng)離心、洗滌、烘干等步驟，得到納米多鉍磷酸鈉粉體光催化劑。

實(shí)施例5：

將Bi(NO₃)₃·5H₂O和Na₃PO₄·12H₂O以質(zhì)量比1:16稱量，放入瑪瑙研缽中，研磨30分鐘，使兩種原料充分混合均勻；之后將混合物裝入30mL聚四氟乙烯容器中，再將聚四氟乙烯罐放入不銹鋼反應(yīng)釜內(nèi)，擰緊螺口使其密封，并放入恒溫烘箱中，升溫至180℃，溫度保持12h恒定；反應(yīng)完成后，待自然冷卻至室溫，取出反應(yīng)物放入60℃的去離子水中，浸泡1h，再經(jīng)離心、洗滌、烘干等步驟，得到納米多鉍磷酸鈉粉體光催化劑。