本發(fā)明涉及利用水熱合成法制備具有超結(jié)構(gòu)、可見光響應(yīng)的BiFeO3，利用該方法制備的光催化劑具有超結(jié)構(gòu)，而且具有高效的可見光光催化效率。
技術(shù)背景
環(huán)境污染是當(dāng)前影響人類生存和發(fā)展的重大問題之一，光催化技術(shù)催化活性和穩(wěn)定性能高，環(huán)境友好，無二次污染，在環(huán)境污染控制和處理領(lǐng)域作用顯著。但是，由于常用的光催化劑TiO2帶隙為3.2eV，僅能被紫外光(只占太陽能的3.8％)激發(fā)，光催化劑存在載流子的復(fù)合率高、量子效率低、光吸收波長窄、不能有效利用可見光、太陽能利用率低等缺點(diǎn)。因此，開發(fā)新型高效的可見光響應(yīng)光催化劑勢在必行。
鈣鈦礦型催化劑由于其特殊的結(jié)構(gòu)和較好的催化性能(光響應(yīng)延伸至可見光區(qū))，在光催化領(lǐng)域引起了國內(nèi)外研究的廣泛關(guān)注。BiFeO3具有三方扭曲的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，能與一些其它的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的化合物形成具有優(yōu)良鐵電性能的固溶體。BiFeO3的能帶間隙為2.5eV，對紫外一可見光有較高的吸收以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性，因此，BiFeO3光催化劑為可見光光催化去除有機(jī)污染物技術(shù)的發(fā)展開辟了新途徑。
納米材料具有獨(dú)特的量子效應(yīng)、表面效應(yīng)和載流子擴(kuò)散效應(yīng)等，有利于提高催化活性。因此，制備納米結(jié)構(gòu)的BiFeO3可見光響應(yīng)光催化劑，將大大提高有機(jī)污染物的降解效率。水熱合成法常用來在較低溫度下合成結(jié)晶性和分散性較高的無機(jī)納米材料，本發(fā)明擬采用水熱法合成低成本、高效率的超結(jié)構(gòu)可見光響應(yīng)BiFeO3光催化劑，并將其應(yīng)用于空氣凈化器中降解空氣中的甲醛，考察其對甲醛的去除性能。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
采用簡捷、綠色環(huán)保的水熱合成法制備具有超結(jié)構(gòu)、可見光響應(yīng)的高效BiFeO3光催化劑。
水熱合成制備方法如下：以含Bi的硝酸鹽(Bi(NO)3·5H2O)或草酸鹽(Bi2(C2O4)3·7H2O)，F(xiàn)e的鈉鹽(NaFeO2)或銨鹽(C10H20FeN3O8)等為原料，按照摩爾比Bi∶Fe＝1∶1混合溶解于HNO3中，磁力攪拌使其完全溶解，加入質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為10％～25％的表面活性劑和質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為10％～15％的羥基多元酸(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)均以某物質(zhì)占Bi和Fe鹽的混合原料質(zhì)量百分含量計算)，使其與原料均勻混合，控制體系的pH值為1～7，形成懸浮液；將懸浮液移入帶有聚四氟乙烯內(nèi)襯 的晶化反應(yīng)釜中，.保持填充率為60-80％，在150-220℃條件下反應(yīng)6～24h，待反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)釜冷卻至室溫，將反應(yīng)產(chǎn)物離心分離出沉淀，用去離子水和無水乙醇清洗5-10次，抽濾，得到的樣品在100-120℃烘箱內(nèi)干燥12～24h，獲得粉體，再在450-650℃的溫度下馬弗爐焙燒3～5h，獲得具有超結(jié)構(gòu)的、高效可見光響應(yīng)的BiFeO3光催化劑，研磨，壓片，再研磨過篩，得20-40目顆粒，進(jìn)行甲醛光催化反應(yīng)性能評價。
所述的表面活性劑為聚乙二醇(PEG)、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)和乙二胺四乙酸(EDTA)中的一種；羥基多元酸為檸檬酸或酒石酸。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1：
稱取24.3g Bi(NO)3·5H2O和5.6g NaFeO2溶于100mL HNO3溶液中，磁力攪拌使其完全溶解，加入3g聚乙二醇和3.5g檸檬酸使其與原料均勻混合，控制體系的pH值為5.5左右，形成懸浮液；將懸浮液移入帶有聚四氟乙烯內(nèi)襯的晶化反應(yīng)釜中，保持填充率為60％，在150℃條件下反應(yīng)8h，待反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)釜冷卻至室溫，將反應(yīng)產(chǎn)物離心分離出沉淀，用去離子水和無水乙醇清洗6次，抽濾，得到的樣品在110℃烘箱內(nèi)干燥12h，獲得粉體，再在450℃的溫度下馬弗爐焙燒3h，獲得具有超結(jié)構(gòu)的、高效可見光響應(yīng)的BiFeO3光催化劑，研磨，壓片，再研磨過篩，得20-40目顆粒，進(jìn)行甲醛光催化反應(yīng)性能評價，測得甲醛凈化效率為90.5％。
實(shí)施例2：
稱取24.3g Bi(NO)3·5H2O和18.3g C10H20FeN3O8溶于150mL HNO3溶液中，磁力攪拌使其完全溶解，加入6.4g十六烷基三甲基溴化銨和4.3g酒石酸使其與原料均勻混合，控制體系的pH值為6.0左右，形成懸浮液；將懸浮液移入帶有聚四氟乙烯內(nèi)襯的晶化反應(yīng)釜中，保持填充率為70％，在180℃條件下反應(yīng)6h，待反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)釜冷卻至室溫，將反應(yīng)產(chǎn)物離心分離出沉淀，用去離子水和無水乙醇清洗8次，抽濾，得到的樣品在100℃烘箱內(nèi)干燥12h，獲得粉體，再在500℃的溫度下馬弗爐焙燒3h，獲得具有超結(jié)構(gòu)的、高效可見光響應(yīng)的BiFeO3光催化劑，研磨，壓片，再研磨過篩，得20-40目顆粒，進(jìn)行甲醛光催化反應(yīng)性能評價，測得甲醛凈化效率為89.2％。
實(shí)施例3：
稱取20.2g Bi2(C2O4)3·7H2O和18.3g C10H20FeN3O8溶于150mL HNO3溶液中，磁力攪拌使其 完全溶解，加入9.6g乙二胺四乙酸和5.8g酒石酸使其與原料均勻混合，控制體系的pH值為6.5左右，形成懸浮液；將懸浮液移入帶有聚四氟乙烯內(nèi)襯的晶化反應(yīng)釜中，保持填充率為60％，在220℃條件下反應(yīng)6h，待反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)釜冷卻至室溫，將反應(yīng)產(chǎn)物離心分離出沉淀，用去離子水和無水乙醇清洗10次，抽濾，得到的樣品在120℃烘箱內(nèi)干燥24h，獲得粉體，再在550℃的溫度下馬弗爐焙燒5h，獲得具有超結(jié)構(gòu)的、高效可見光響應(yīng)的BiFeO3光催化劑，研磨，壓片，再研磨過篩，得20-40目顆粒，進(jìn)行甲醛光催化反應(yīng)性能評價，測得甲醛凈化效率為85.8％。
實(shí)施例4：
稱取24.3g Bi(NO)3·5H2O和18.3g C10H20FeN3O8溶于150mL HNO3溶液中，磁力攪拌使其完全溶解，加入10.7g十六烷基三甲基溴化銨和6.4g檸檬酸使其與原料均勻混合，控制體系的pH值為6.5左右，形成懸浮液；將懸浮液移入帶有聚四氟乙烯內(nèi)襯的晶化反應(yīng)釜中，保持填充率為60％，在180℃條件下反應(yīng)6h，待反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)釜冷卻至室溫，將反應(yīng)產(chǎn)物離心分離出沉淀，用去離子水和無水乙醇清洗10次，抽濾，得到的樣品在120℃烘箱內(nèi)干燥24h，獲得粉體，再在550℃的溫度下馬弗爐焙燒5h，獲得具有超結(jié)構(gòu)的、高效可見光響應(yīng)的BiFeO3光催化劑，研磨，壓片，再研磨過篩，得20-40目顆粒，進(jìn)行甲醛光催化反應(yīng)性能評價，測得甲醛凈化效率為94.8％。
實(shí)施例5：
稱取20.2g Bi2(C2O4)3·7H2O和5.6g NaFeO2溶于100mL HNO3溶液中，磁力攪拌使其完全溶解，加入6.5g乙二胺四乙酸和5.8g酒石酸使其與原料均勻混合，控制體系的pH值為6.5左右，形成懸浮液；將懸浮液移入帶有聚四氟乙烯內(nèi)襯的晶化反應(yīng)釜中，保持填充率為60％，在200℃條件下反應(yīng)6h，待反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)釜冷卻至室溫，將反應(yīng)產(chǎn)物離心分離出沉淀，用去離子水和無水乙醇清洗10次，抽濾，得到的樣品在120℃烘箱內(nèi)干燥24h，獲得粉體，再在550℃的溫度下馬弗爐焙燒5h，獲得具有超結(jié)構(gòu)的、高效可見光響應(yīng)的BiFeO3光催化劑，研磨，壓片，再研磨過篩，得20-40目顆粒，進(jìn)行甲醛光催化反應(yīng)性能評價，測得甲醛凈化效率為83.7％。