專利名稱：一種BiOI/TiO₂異質(zhì)結(jié)型光催化材料及其低溫制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種BiOI/Ti02異質(zhì)結(jié)型光催化材料及其制備方法，屬于光催化材料及其 制備領(lǐng)域。
技術(shù)背景目前，光催化反應(yīng)在環(huán)境治理和能源開發(fā)方面的研究很活躍。光催化反應(yīng)指通過照射 光催化劑，如Ti02、 ZnO、 CdS、 W03、 Sn02、 Fe203等，使其價(jià)帶上的電子受到激發(fā)躍遷 到導(dǎo)帶，在價(jià)帶和導(dǎo)帶上形成氧化能力極強(qiáng)的光生空穴-電子對(duì)，從而將有機(jī)污染物氧化降解，或者將H20分解成H2和02。其中，Ti02以其禁帶寬度適中、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無毒副作用、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)而成為研究最為廣泛的單一氧化物催化劑。然而，Ti02的帶隙能為3.2 eV，只有波長(zhǎng)小于387nm的紫外光才能使之激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)；但是，在太陽(yáng)光譜中 紫外光(400 nm以下)不到5。/。，而波長(zhǎng)為400 750 nm的可見光占到43%，因而它在實(shí)際中的 應(yīng)用受到限制。因此，尋求具有高性能的可見光光催化材料將是光催化技術(shù)進(jìn)一步走向?qū)?用化的必然趨勢(shì)。為提高光催化材料的活性，目前的研究主要集中在以下幾個(gè)方面促使光生電子與空 穴的分離，抑制其復(fù)合，從而提高量子效率；擴(kuò)大激發(fā)光的波長(zhǎng)范圍，以便充分利用太陽(yáng) 能；提高光催化劑的穩(wěn)定性。常用的方法包括半導(dǎo)體光催化劑的改性技術(shù)，諸如摻雜、貴 金屬沉積、表面功能化、半導(dǎo)體光催化劑的復(fù)合和其他新型光催化劑的開發(fā)等。提高光催 化材料活性的關(guān)鍵是如何減少光生電子與空穴的復(fù)合幾率，而兩種不同半導(dǎo)體材料間復(fù)合 形成異質(zhì)結(jié)可以達(dá)到此目的。復(fù)合半導(dǎo)體對(duì)于載流子的分離作用不同于單一半導(dǎo)體材料， 如其他半導(dǎo)體與Ti02復(fù)合時(shí)，由于該復(fù)合體系具有兩種不同能級(jí)的導(dǎo)帶和價(jià)帶，復(fù)合半導(dǎo) 體受光照激發(fā)后電子和空穴將分別被遷移至Ti02的導(dǎo)帶和復(fù)合材料的價(jià)帶，從而實(shí)現(xiàn)了載 流子的有效分離，量子效率得到提高，光催化活性也會(huì)顯著改善。目前關(guān)于半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)型光催化材料的專利報(bào)道有，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所黃 富強(qiáng)教授的" 一 種高效半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)光催化材料及其制備方法"(專利公開號(hào) CN101204652)，浙江大學(xué)趙偉榮教授的"一種嵌入異質(zhì)結(jié)一維摻雜Ti02光催化劑及其制備 和應(yīng)用"(專利公開號(hào)101279251)等。本發(fā)明與上述專利不同，本發(fā)明采用一種新的半導(dǎo)體材料碘化氧鉍(BiOI)與其他半 導(dǎo)體在低溫條件下復(fù)合，該方法制備工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、條件溫和，得到的異質(zhì)結(jié)型光催化材料具有良好的有機(jī)污染物催化降解性能。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種BiOI/Ti02異質(zhì)結(jié)型光催化材料及其低溫制備方法，其方 法是先將鈦酸四異丙醇酯溶解在含有Bi(N03)y5H20的乙醇中，再將該溶液逐步滴加到水 中，然后加入一定量的含碘離子溶液；該混合溶液經(jīng)過低溫加熱處理后即可得到相應(yīng)的 BiOI/Ti02異質(zhì)結(jié)型光催化材料。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案一種異質(zhì)結(jié)型光催化材料，它為BiOI/Ti02異質(zhì)結(jié)型光催化材料，由片狀BiOI和顆粒 狀Ti02組成，BiOI與Ti02摩爾比為0.1:1 ~1:1。本發(fā)明的一種BiOI/Ti02異質(zhì)結(jié)型光催化材料的制備方法，包括以下步驟 步驟1:在乙醇中加入鈦酸四異丙醇酯，其濃度為0.01 0.1 mol/L，再加入硝酸鉍 Bi(N03)3.5H20，使溶液中Bi/Ti摩爾濃度比為0.1:1 ~1:1;步驟2:將步驟1配好的溶液滴加到蒸餾水中，然后加入含碘離子溶液，使溶液中碘 離子與鉍離子的摩爾比為1:1;步驟3:將步驟2得到的混合溶液進(jìn)行加熱處理，處理溫度為60~90°C，處理時(shí)間為 2~6小時(shí)；步驟4:步驟3結(jié)束后，過濾，并將過濾得到的固體產(chǎn)物用蒸餾水和乙醇淋洗3次以 上，然后干燥，即得到相應(yīng)的BiOI/Ti02異質(zhì)結(jié)型光催化材料。本發(fā)明所述的BiOI/Ti02異質(zhì)結(jié)型光催化材料的制備方法中，所述的含碘離子溶液為 碘化氫(HI)、碘化鈉(NaI)或碘化鉀(KI)。本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比具有顯著的特點(diǎn)和進(jìn)步本發(fā)明首次將新型半導(dǎo)體材料BiOI與Ti02進(jìn)行復(fù)合，得到一種異質(zhì)結(jié)型光催化材料。 該材料對(duì)可見光的響應(yīng)增強(qiáng)，具有較高的光催化活性，為環(huán)境中有機(jī)污染物的去除提供了 新的光催化材料；且該方法制備工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、條件溫和，具有良好的工業(yè)化應(yīng)用 前景。光催化性能測(cè)試方法本發(fā)明的BiOI/Ti02異質(zhì)結(jié)型光催化材料的催化性能通過降解甲基橙(MO)溶液來評(píng) 價(jià)。光源為500 W鹵鎢燈，帶有水冷夾套的反應(yīng)器置于光源上8 cm處，用錫紙包住，防 止光線散射。實(shí)驗(yàn)時(shí)，取100 mL濃度為5 mg/L MO溶液，加入0.1 g催化劑材料粉末，在 無光照條件下機(jī)械攪拌1小時(shí)，使溶液中MO在粉末表面達(dá)到吸-脫附平衡。打開光源后，4每隔1小時(shí)取樣(每次4mL)，至反應(yīng)3小時(shí)停止。含有催化劑粉末的溶液經(jīng)離心機(jī)離心分 離后得到MO溶液，在紫外-可見分光光度計(jì)(HitachiU-3310)上測(cè)定吸收光譜，監(jiān)測(cè)MO的 光催化脫色反應(yīng)程度，從而計(jì)算光照后溶液的降解率。


圖1是實(shí)施例1所制備樣品的XRD圖譜。圖中2 9角為25.2°、 37.9°處標(biāo)#的峰對(duì)應(yīng) 于銳鈦礦(JCPDS 21-1272)，其余的峰則對(duì)應(yīng)于BiOI (JCPDS 73-2062)。圖2為實(shí)施例2所制備樣品的透射電鏡圖(TEM)。從圖可以看出，樣品由尺寸為幾個(gè) 微米的片組成，片上粘附著一些大約10nm的顆粒。圖3為實(shí)施例2所制備樣品的高分辨透射電鏡圖(HRTEM)，從圖上可以看到兩種清晰 的、間距為0.284 nm和0.354 nm的晶格條紋，分別對(duì)應(yīng)于BiOI的(110)晶面和Ti02的(IOI) 晶面，這與圖1中XRD結(jié)果一致。由此可知，該樣品是由片狀BiOI和顆粒狀Ti02組成。圖4是實(shí)施例3所制備樣品在可見光下分別降解甲基橙(MO)溶液的效果與MO自降 解、商用催化劑P25作用下的降解的比較圖。條件為MO濃度為5 mg/L，催化劑用量為 0.1 g，入射光波長(zhǎng)大于420 nm。由圖可見，本發(fā)明所制備的BiOI/Ti02異質(zhì)結(jié)型光催化材料具有更較好的催化降解活性。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述，其目的僅在于更好理解本發(fā)明的內(nèi)容而非限制 本發(fā)明的保護(hù)范圍。 實(shí)施例1將鈦酸四異丙醇酯在室溫下加入5mL乙醇中，攪拌溶解，其濃度為0.01 mol/L。加入 硝酸鉍Bi(N03)3'5H20，使溶液中Bi/Ti摩爾濃度比為0.1。將該溶液滴加到90 mL蒸餾水中， 攪拌后加入與Bi(N03)y5H20等摩爾量的KI;繼續(xù)攪拌0.5小時(shí)后將所得混合物在60 °C 水浴條件下加熱3小時(shí)；反應(yīng)完成后，將所得產(chǎn)物分別用水與乙醇洗漆三次，干燥后即得 含BiOI的異質(zhì)結(jié)型光催化材料。BiOI與TiCh摩爾比為0.2:1。實(shí)施例2將鈦酸四異丙醇酯在室溫下加入5mL乙醇中，攪拌溶解，其濃度為0.05 mol/L。加入 硝酸鉍Bi(N03)3'5H20,使溶液中Bi/Ti摩爾比為0.8;將該溶液滴加到90 mL蒸餾水中，攪 拌后加入與Bi(N03)y5H20等摩爾量的KI;繼續(xù)攪拌0.5小時(shí)后將所得混合物在90 °C水浴條件下加熱6小時(shí)；反應(yīng)完成后，將所得產(chǎn)物分別用水與乙醇洗滌三次，十燥后即得含BiOI 的異質(zhì)結(jié)型光催化材料。BiOI與Ti02摩爾比為0.8:1。實(shí)施例3將鈦酸四異丙醇酯在室溫下加入5 mL乙醇中，攪拌溶解，其濃度為O.l mol/L。加入 硝酸鉍Bi(N03)3'5H20,使溶液中Bi/Ti摩爾濃度比為0.5;將該溶液滴加到90 mL蒸餾水中， 攪拌后加入與Bi(N03)y5H20等摩爾量的KI;繼續(xù)攪拌0.5小時(shí)后將所得混合物在90 °C水 浴條件下加熱5小時(shí)；反應(yīng)完成后，將所得產(chǎn)物分別用水與乙醇洗滌三次，干燥后即得含 BiOI的異質(zhì)結(jié)型光催化材料。BiOI與TiCb摩爾比為0.5:1。實(shí)施例4將鈦酸四異丙醇酯在室溫下加入5mL乙醇中，攪拌溶解，其濃度為0.09mol/L。加入 硝酸鉍Bi(N03)3'5H20,使溶液中Bi/Ti摩爾比為0.6;將該溶液滴加到90 mL蒸餾水中，攪 拌后加入與Bi(N03)3'5H20等摩爾量的KI;繼續(xù)攪拌0.5小時(shí)后將所得混合物在80 °C水浴 條件下加熱3小時(shí)；反應(yīng)完成后，將所得產(chǎn)物分別用水與乙醇洗滌三次，干燥后即得含BiOI 的異質(zhì)結(jié)型光催化材料。BiOI與Ti02摩爾比為0.6:1。
權(quán)利要求
1、一種異質(zhì)結(jié)型光催化材料，其特征在于，它為BiOI/TiO2異質(zhì)結(jié)型光催化材料，由片狀BiOI和顆粒狀TiO2組成，BiOI與TiO2的摩爾比為0.1∶1～1∶1。
2、 一種BiOI/Ti02異質(zhì)結(jié)型光催化材料的制備方法，其特征在于，包括以下 步驟步驟1:在乙醇中加入鈦酸四異丙醇酯，其濃度為0.01~0.1 mol/L，再加入 硝酸鉍Bi(N03)3'5H20，使溶液中Bi/Ti摩爾濃度比為0.1:1 1:1;步驟2:將步驟1配好的溶液滴加到蒸餾水中，然后加入含碘離子溶液，使 溶液中碘離子與鉍離子的摩爾比為1:1;步驟3:將步驟2得到的混合溶液進(jìn)行加熱處理，處理溫度為60 卯'C，處 理時(shí)間為2~6小時(shí)；步驟4:步驟3結(jié)束后，過濾，并將過濾得到的固體產(chǎn)物用蒸餾水和乙醇淋 洗3次以上，然后干燥，即得到相應(yīng)的BiOI/TK)2異質(zhì)結(jié)型光催化材料。
3、 按照權(quán)利要求2所述的BiOI/Ti02異質(zhì)結(jié)型光催化材料的制備方法，其特 征在于，所述的含碘離子溶液為碘化氫、碘化鈉或碘化鉀。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種BiOI/TiO₂異質(zhì)結(jié)型光催化材料及其制備方法，屬于光催化材料領(lǐng)域。本發(fā)明采用低溫軟化學(xué)方法，將一種新型窄帶隙半導(dǎo)體BiOI與寬帶隙半導(dǎo)體TiO₂進(jìn)行復(fù)合，制備得到異質(zhì)結(jié)型光催化材料；異質(zhì)結(jié)的形成加快光生載流子的輸運(yùn)過程，減小了電子-空穴對(duì)的復(fù)合幾率，提高了光催化的量子效率，具有良好的有機(jī)物催化降解性能。本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單、條件溫和、成本低廉，具有良好的工業(yè)化應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)B01J27/135GK101618332SQ20091006338
公開日2010年1月6日 申請(qǐng)日期2009年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月31日
發(fā)明者喜 張, 張禮知 申請(qǐng)人:華中師范大學(xué)