異質(zhì)結(jié)光催化劑及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于功能材料領(lǐng)域，具體涉及一種高活性mpg-C3N4/RE-BiV04異質(zhì)結(jié)光催化劑及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著工業(yè)化的不斷深入，日益增長的環(huán)境問題逐漸威脅到了人類社會的可持續(xù)發(fā)展。半導(dǎo)體光催化是解決這些環(huán)境問題的一種非常好的選擇，因為它意味著可以采用一種綠色的方式直接利用太陽光降解污染物?？紤]到在光催化過程中光生載流子發(fā)揮了主要的作用，一個活性高的光催化劑應(yīng)該擁有比較寬的光譜吸收范圍和非常高的量子產(chǎn)率。將兩種能帶匹配的窄帶隙半導(dǎo)體復(fù)合，光生載流子在兩種復(fù)合的半導(dǎo)體之間的轉(zhuǎn)移將會提高量子產(chǎn)率。
[0003]石墨相氮化碳(Hipg-C3N4)和8”04是目前兩種研究非常熱門的窄帶隙半導(dǎo)體光催化劑。Hipg-C3N4的帶隙寬度為2.7eV，在可見光下裂解水制氫和降解有機(jī)染料都展示了優(yōu)良的活性。此外，Hipg-C3N4的大的比表面積和二維平面共軛結(jié)構(gòu)使得它非常適合作為復(fù)合材料的基體材料。BiVO4的禁帶寬度為2.4eV，擁有很強(qiáng)的可見光吸收能力，同時它的無毒性和化學(xué)穩(wěn)定性使得其成為了一種非常具有實用意義的光催化劑。
[0004]迄今為止，制備11^^-(:#4/1?^￥04異質(zhì)結(jié)光催化劑的工作尚未見報道，也沒有專利和文獻(xiàn)報道過制備mpg-C3N4/RE_BiV04異質(zhì)結(jié)光催化劑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種高活性mpg-C3N4/RE_BiV04異質(zhì)結(jié)光催化劑及其制備方法和應(yīng)用，該方法操作簡單，反應(yīng)時間短，反應(yīng)條件溫和，制備的mpg-C3N4/RE_BiV04異質(zhì)結(jié)光催化劑具有高的降解活性，能夠有效地改善純相BiVOd^光催化效率。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0007]—種高活性11^^-(:#4/1?^￥04異質(zhì)結(jié)光催化劑的制備方法，包括以下步驟:
[0008]步驟1:將濃度為2.1?2.15mol/L的三聚氰胺水溶液與濃度為0.8?0.85mol/L的納米S12水溶液按體積比為3:2混合均勻，超聲分散后再攪拌均勻，然后烘干，得白色固體，將白色固體研細(xì)后裝入坩禍中，在隊氣氛爐中升溫至540?560°C煅燒4h，得淡黃色粉末，再用NH4HF2水溶液腐蝕淡黃色粉末，除去其中的S1 2模板，最后洗滌、干燥，得到Hipg-C3N4粉體；
[0009]步驟2:將Hipg-C3N4粉體加入到乙醇中超聲分散均勻，得到mpg-C 3N4醇溶液；
[0010]步驟3:將Bi (NO3)3.5Η20溶于水中，攪拌均勻，得鉍鹽溶液；將NH4VO3溶于熱水中，加熱攪拌均勻，得釩鹽溶液；
[0011 ] 步驟4:按Bi與V的摩爾比為1:1將釩鹽溶液加到鉍鹽溶液中，攪拌均勻，得混合液，調(diào)節(jié)混合液的pH值為8，繼續(xù)攪拌均勾；
[0012]步驟5:將RE(NO3)3.6H20加入到調(diào)節(jié)了 pH值后的混合液中，攪拌均勻，得前驅(qū)RE-BiVO4懸濁液;其中RE(N03)3.6H20為Nd(N03)3.6H20或者Nd(N03)3.6H20與Er(N03)3.6H20的混合物，前驅(qū)RE-BiVO^濁液中RE與Bi的摩爾比為(10.52?11.11): 100 ；
[0013]步驟6:將Hipg-C3N4醇溶液加入前驅(qū)RE-BiVO 4懸濁液中，先攪拌均勻，然后超聲分散，再繼續(xù)攪拌均勻，得反應(yīng)前驅(qū)液；反應(yīng)前驅(qū)液中Hipg-C3N4與V的摩爾比為(0.8?
1.2):1 ；
[0014]步驟7:將反應(yīng)前驅(qū)液加入微波水熱反應(yīng)釜中，將微波水熱反應(yīng)釜置于微波輔助水熱合成儀中，設(shè)定壓力為1.3MPa，在300W的微波功率下，從室溫升溫至95?105°C，保溫7?9min ;然后繼續(xù)升溫至145?155°C，保溫7?9min ;再繼續(xù)升溫至175?185°C，保溫35?45min后結(jié)束反應(yīng)；
[0015]步驟8:待反應(yīng)結(jié)束后，冷卻至室溫，取出微波水熱反應(yīng)釜中的沉淀物，洗滌、干燥，得到高活性mpg-C3N4/RE_BiV04異質(zhì)結(jié)光催化劑。
[0016]所述步驟I中超聲分散的時間為55?65min ；
[0017]所述步驟2中超聲分散的時間為I?4h ;
[0018]所述步驟6中超聲分散的時間為I?2h。
[0019]所述步驟I中的烘干溫度為75?85°C ;
[0020]所述步驟I中的升溫速度為2?3°C /min。
[0021 ] 所述NH4HFyK溶液的濃度為3.5?4.5mol/L ；
[0022]所述鉍鹽溶液和釩鹽溶液的濃度為0.35?0.45mol/L0
[0023]所述步驟3中攪拌均勻所需的時間為15?25min ;加熱攪拌均勻所需的時間為15?25min，加熱溫度為90?100°C。
[0024]所述步驟4中用濃度為5mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)混合液的pH值，且調(diào)節(jié)pH值時NaOH溶液的滴加速度為0.01?lmL/min。
[0025]所述步驟4中攪拌均勻所需的時間為15?25min ；
[0026]所述步驟5中攪拌均勻所需的時間為25?35min ；
[0027]所述步驟6中攪拌均勻所需的時間為35?45min。
[0028]所述步驟8中的干燥為在75?85°C下干燥22?24h。
[0029]高活性Iiipg-C3PVRE-BiVOz^質(zhì)結(jié)光催化劑，其為介孔mpg-C 3N4和棒狀四方錯石相RE-BiVO4兩相共存結(jié)構(gòu)，且mpg-C 3N4和RE-BiVO 4形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，mpg-C 3N4和RE-BiVO 4的摩爾比為(0.8?1.2): 1，RE為Nd或Nd+Er，其孔徑為3?65nm。
[0030]高活性mpg-C3N4/RE_BiV04異質(zhì)結(jié)光催化劑在降解有機(jī)物方面的應(yīng)用。
[0031]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果為:
[0032]本發(fā)明提供了一種高活性11^^-(:#4/1?^￥04異質(zhì)結(jié)光催化劑的制備方法及應(yīng)用。首先制備Hipg-C3N4粉體并將其分散在乙醇中，然后以五水硝酸鉍(Bi(NO3)3.5H20)為鉍源，偏釩酸銨(NH4VO3)為釩源，并稀土硝酸鹽(RE(NO3)3.6H20)進(jìn)行稀土元素?fù)诫s，再加入mpg-C3N4，通過微波水熱法一步合成高活性mpg-C3N4/RE_BiV04異質(zhì)結(jié)光催化劑。其中介孔氮化碳(mpg-C3N4)作為一種有機(jī)半導(dǎo)體材料，具有類石墨的層狀結(jié)構(gòu)。申請人通過比較Hipg-C3N4和BiVO 4的能帶結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)它們是非常匹配的交錯型能帶結(jié)構(gòu)，可以用來進(jìn)行復(fù)合形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，能有效分離光致電子空穴，提高催化劑的光催化活性。本發(fā)明合理利用mpg-C3N4的介孔及層狀結(jié)構(gòu)特點，將其與RE-BiVO 4無機(jī)半導(dǎo)體復(fù)合形成mpg-C 3N4/RE-BiVO4異質(zhì)結(jié)光催化劑，制備的這種異質(zhì)結(jié)催化劑為多孔材料，具有較高的光催化活性，有效地提高純相BiVOj^光催化降解有機(jī)物的效率。本發(fā)明采用微波水熱法一步合成高活性mpg-C3N4/RE_BiV04異質(zhì)結(jié)光催化劑，以微波作為加熱方式，結(jié)合了微波加熱與水熱法的優(yōu)點，其操作流程簡易，反應(yīng)時間短，反應(yīng)條件溫和，合成的mpg-C3N4/RE_BiV04異質(zhì)結(jié)光催化劑具有高的光催化活性，在環(huán)境污水等處理方面具有良好的應(yīng)用前景。
[0033]本發(fā)明制備的高活性11^^-(:#4/1?^￥04異質(zhì)結(jié)光催化劑為介孔mpg-C 3N4和棒狀四方鋯石相RE-BiVO4兩相共存結(jié)構(gòu)，且Hipg-C3N4和RE-BiVO4B成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，為介孔材料，孔徑為3?65nm，具有較大的比表面積。該mpg-C3N4/RE_BiV04異質(zhì)結(jié)光催化劑在模擬太陽光照射下具有較高的光催化活性，能夠有效地提高純相扮￥04的光催化降解有機(jī)物的效率，在環(huán)境污水等處理方面具有良好的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0034]圖1是本發(fā)明制備的mpg-C3N4/RE_BiV04異質(zhì)結(jié)光催化劑的傅里葉變換紅外光譜圖(FT-1R)，其中a?d分別為實施例1到實施例4制備的mpg-C3N4/RE_BiV04異質(zhì)結(jié)光催化劑的FT-1R譜圖。
[0035]圖2是本發(fā)明制備的mpg-C3N4/RE_BiV04異質(zhì)結(jié)光催化劑的FE-SEM圖，其中a?d分別為實施例1到實施例4制備的mpg-C3N4/RE_BiV04異質(zhì)結(jié)光催化劑的FE-SEM圖。
[0036]圖3是本發(fā)明實施例3制備的mpg-C3N4/RE_BiV04異質(zhì)結(jié)光催化劑的N 2吸附-脫附等溫曲線。
[0037]圖4是本發(fā)明實施例3制備的11^^-(:#4/1?^￥04異質(zhì)結(jié)光催化劑的孔徑分布曲線。
[0038]圖5是本發(fā)明制備的mpg-C3N4/RE_BiV04異質(zhì)結(jié)光催化劑的降解羅丹明B的降解率-時間曲線，其中a?d分別為實施例1到實施例4制備的11^^-(:#4/1?^￥04異質(zhì)結(jié)光催化劑的降解曲線。
【具體實施方式】
[0039]下面結(jié)合具體實施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0040]實施例1:
[0041]步驟1:將濃度為2.12mol/L的三聚氰胺水溶液與濃度為0.83mol/L的納米S12水溶液按體積比為3:2混合攪拌均勻，超聲分散lh，再攪拌均勻后放入80°C的烘箱烘干，得白色固體，將其研磨細(xì)后裝入坩禍中，在N2氣氛爐中以2.5°C/min的升溫速度升至550°C保溫4h進(jìn)行煅燒，得到淡黃色粉末，再用4mol/L的NH4HF2A溶液進(jìn)行腐蝕，除去其中的S12模板，最后洗滌、干燥，得到mpg-C3N4粉體；
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