本發(fā)明涉及一種光催化劑及其制備方法和應(yīng)用，尤其涉及一種BiVO₄納米帶高效光催化劑及其制備方法和應(yīng)用，屬于光催化材料技術(shù)領(lǐng)域。

本發(fā)明中PVP指聚乙烯吡咯烷酮；Bi(NO₃)₃·5H₂O指五水合硝酸鉍；VO(acac)₂指乙酰丙酮氧釩；DMF指N-N二甲基甲酰胺。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，環(huán)境污染的日益加劇已經(jīng)嚴(yán)重制約了人類(lèi)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，如何解決環(huán)境污染問(wèn)題成為了全球共同關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。半導(dǎo)體光催化技術(shù)來(lái)降解有機(jī)物作為一個(gè)可行和理想的解決環(huán)境問(wèn)題的策略，已經(jīng)成為了研究熱點(diǎn)。光催化技術(shù)是利用半導(dǎo)體光催化劑吸收太陽(yáng)能降解有毒的污染物，具有反應(yīng)條件溫和、無(wú)二次污染和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，成為了解決環(huán)境問(wèn)題的一個(gè)重要技術(shù)手段。光催化技術(shù)的核心是光催化劑的研制，其中傳統(tǒng)靜電紡絲BiVO₄納米纖維作為光催化劑中的一種，具有無(wú)毒、便宜和量產(chǎn)大等優(yōu)點(diǎn)，受到了研究者們的青睞。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，有兩個(gè)問(wèn)題仍然制約著傳統(tǒng)BiVO₄納米纖維光催化劑的廣泛應(yīng)用：1)光催化反應(yīng)中光生電子-空穴對(duì)易復(fù)合，光催化效率較低；2)傳統(tǒng)的BiVO₄納米纖維光催化劑存在比表面積偏低，導(dǎo)致在液相光催化體系下無(wú)法與污染物充分接觸，無(wú)法保證穩(wěn)定高效的光催化活性。

因此，如何提高BiVO₄光催化劑的光催化效率成為了研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)有技術(shù)中，提高BiVO₄半導(dǎo)體光催化劑的光催化效率有以下三個(gè)途徑：一是對(duì)單斜相BiVO₄納米材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)控；二是對(duì)單斜相BiVO₄納米材料進(jìn)行摻雜；三是通過(guò)不同半導(dǎo)體材料與BiVO₄進(jìn)行復(fù)合。其中，靜電紡絲BiVO₄納米帶具有更長(zhǎng)的長(zhǎng)徑比、更大的橫截面積等優(yōu)點(diǎn)而受到廣大研究者的青睞。因此，如何制備BiVO₄納米帶光催化劑，將有望通過(guò)單斜相BiVO₄納米材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)控獲得最優(yōu)異的BiVO₄納米帶光催化劑，從而有力推動(dòng)光催化技術(shù)在污染物降解領(lǐng)域的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題，提出了一種納米帶狀結(jié)構(gòu)的BiVO₄納米帶高效光催化劑的制備方法。

本發(fā)明的目的可通過(guò)下列技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：一種BiVO₄納米帶高效光催化劑的制備方法，所述制備方法為：

將PVP、Bi(NO₃)₃·5H₂O、VO(acac)₂和DMF配制成前驅(qū)體紡絲液；

將配制好的前驅(qū)體紡絲液經(jīng)靜電紡絲得到有機(jī)前驅(qū)體纖維；

將得到的有機(jī)前驅(qū)體纖維烘干得到固態(tài)前驅(qū)體纖維；

將固態(tài)前驅(qū)體纖維經(jīng)高溫?zé)峤獾玫紹iVO₄納米帶光催化劑。

本發(fā)明通過(guò)調(diào)控前驅(qū)體紡絲液的組成成分和配比，從而通過(guò)靜電紡絲制備得到BiVO₄納米帶光催化劑。

在上述的一種BiVO₄納米帶高效光催化劑的制備方法中，所述PVP、Bi(NO₃)₃·5H₂O、VO(acac)₂和DMF的質(zhì)量比為(2-3)：(1.5-2)：1：(3-4)。

在上述的一種BiVO₄納米帶高效光催化劑的制備方法中，所述PVP包括PVP_k12、PVP_k15、PVP_k17、PVP_k25、PVP_k30、PVP_k45、PVP_k60、PVP_k70、PVP_k80、PVP_k85、PVP_k90、PVP_k90、PVP_k100、PVP_k110、PVP_k120、PVP_k150中的至少一種。

在上述的一種BiVO₄納米帶高效光催化劑的制備方法中，所述PVP包括PVP_k90和PVP_k30，PVP_k90和PVP_k30的質(zhì)量比為1：(2-5)。本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)選為PVP_k90和PVP_k30，其中，PVP_k90的Mw約為1300000，PVP_k30的Mw約為40000。傳統(tǒng)靜電紡絲方法中，通常使用PVP_K90作為溶液的粘結(jié)劑，而本發(fā)明為了制備得到納米帶狀結(jié)構(gòu)的BiVO₄納米帶光催化劑，引入了分子質(zhì)量不同的PVP，如PVP_K30。因?yàn)?，在前?qū)體溶液中添加不同分子質(zhì)量的PVP，如分別添加PVP_K90和PVP_K30，由于分子質(zhì)量不一樣，粘結(jié)度不相同等會(huì)導(dǎo)致其在紡絲纖維徑向分布不相同，其中PVP_K30分布在纖維內(nèi)部和PVP_K90分布在纖維外部，在靜電紡絲的過(guò)程中，伴隨著溶液的揮發(fā)，由于PVP_K30所占體積較大，會(huì)導(dǎo)致纖維的坍塌，從而形成納米帶。

作為優(yōu)選，所述前驅(qū)體紡絲液配置為將PVP、Bi(NO₃)₃·5H₂O、VO(acac)₂和DMF溶于無(wú)水乙醇和冰醋酸中，常溫?cái)嚢璧玫角膀?qū)體紡絲液即可。

作為優(yōu)選，VO(acac)₂和無(wú)水乙醇的質(zhì)量比為1：(3-4)。

作為優(yōu)選，VO(acac)₂和冰醋酸的質(zhì)量比為1：(2.5-3.5)。

在上述的一種BiVO₄納米帶高效光催化劑的制備方法中，所述高溫?zé)峤獾臏囟葹?00-600℃，保溫時(shí)間為0.5-2h。

本發(fā)明的第二個(gè)目的在于提供一種上述BiVO₄納米帶高效光催化劑的制備方法制備得到的BiVO₄納米帶高效光催化劑。

在上述的BiVO₄納米帶高效光催化劑中，所述的BiVO₄納米帶高效光催化劑為納米帶狀結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明通過(guò)對(duì)單斜相BiVO₄納米材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)控，制備得到的BiVO₄納米帶高效光催化劑為納米帶狀結(jié)構(gòu)，具有更長(zhǎng)的長(zhǎng)徑比、更大的橫截面積等優(yōu)點(diǎn)，從而有力推動(dòng)光催化技術(shù)在污染物降解領(lǐng)域的應(yīng)用。

本發(fā)明的第三個(gè)目的在于提供上述BiVO₄納米帶高效光催化劑的應(yīng)用，所述BiVO₄納米帶高效光催化劑用于光降解。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1.本發(fā)明通過(guò)調(diào)控前驅(qū)體紡絲液的組成成分和配比，從而實(shí)現(xiàn)了BiVO₄納米帶高效光催化劑的制備。

2.本發(fā)明的BiVO₄納米帶高效光催化劑為納米帶狀結(jié)構(gòu)，具有更長(zhǎng)的長(zhǎng)徑比、更大的橫截面積等優(yōu)點(diǎn)。

3.本發(fā)明通過(guò)對(duì)單斜相BiVO₄納米材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)控，使BiVO₄納米帶高效光催化劑具有高效且穩(wěn)定的光催化活性，從而有力推動(dòng)光催化技術(shù)在污染物降解領(lǐng)域的應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1所制得的BiVO₄納米帶前驅(qū)體的低倍掃描電鏡(SEM)圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1所制得的BiVO₄納米帶前驅(qū)體的高倍掃描電鏡(SEM)圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1所制得的BiVO₄納米帶的低倍掃描電鏡(SEM)圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1所制得的BiVO₄納米帶的高倍掃描電鏡(SEM)圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例1所制得的BiVO₄納米帶的截面掃描電鏡(SEM)圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例1所制得的BiVO₄納米帶的X射線(xiàn)衍射譜圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例1所制得的BiVO₄納米帶的Raman圖；

圖8為本發(fā)明本發(fā)明應(yīng)用實(shí)施例1的BiVO₄納米帶高效光催化劑與應(yīng)用對(duì)比例1的市售普通的BiVO₄納米纖維光催化活性對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

以下是本發(fā)明的具體實(shí)施例，并結(jié)合附圖說(shuō)明對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的描述，但本發(fā)明并不限于這些實(shí)施例。

實(shí)施例1：

稱(chēng)取PVP_K90 0.4g、PVP_K30 1.2g、Bi(NO₃)₃·5H₂O 1.21g和VO(acac)₂ 0.662g溶解于2.5g無(wú)水乙醇、2.5g DMF和2g冰醋酸的混合液中，室溫下攪拌混合6小時(shí)后得到深綠色的前驅(qū)體紡絲液。靜置后量取6ml注入塑料針管內(nèi)，并置于微量注射泵上，設(shè)置推注速度為0.2mm/min。金屬針頭作電紡絲陽(yáng)極，鐵絲網(wǎng)作接收材料的陰極，陽(yáng)極與陰極之間的距離為20cm，在12kV高壓下進(jìn)行靜電紡絲，制備有機(jī)前驅(qū)體纖維。然后將有機(jī)前驅(qū)體纖維置于80℃恒溫烘干箱內(nèi)，獲得固態(tài)前驅(qū)體纖維。最后將固體前驅(qū)體纖維置于石英舟中，在空氣氣氛下于500℃保溫1小時(shí)進(jìn)行熱解處理，然后隨爐冷卻，獲得BiVO₄納米帶。

圖1和圖2為實(shí)施例1所制備的BiVO₄納米帶的前驅(qū)體纖維在不同放大倍數(shù)下的典型掃描電鏡(SEM)圖，從圖1和圖2可知，本發(fā)明實(shí)施例1所制備的材料為高純度納米帶。

圖3和圖4為實(shí)施例1所制備的BiVO₄納米帶在不同放大倍數(shù)下的典型掃描電鏡(SEM)，圖5為實(shí)施例1所制備的BiVO₄納米帶的截面掃描電鏡圖(SEM)，從圖3、圖4和圖5可知，本發(fā)明實(shí)施例1所制備的材料為納米帶狀結(jié)構(gòu)。圖6為其相應(yīng)的XRD圖，圖7為其拉曼(Raman)圖，從圖6和圖7可知，本發(fā)明實(shí)施例1所制備的BiVO₄納米帶為單斜BiVO₄納米帶。

將本發(fā)明制備得到的BiVO₄納米帶光催化劑應(yīng)用于光降解，并進(jìn)行光催化性能檢測(cè)。

應(yīng)用實(shí)施例1：

將實(shí)施例1制備得到的BiVO₄納米帶高效光催化劑用于羅丹明B(RhB)的光降解。具體為：稱(chēng)取0.04g實(shí)施例1制備得到的BiVO₄納米帶光催化劑加入到100ml初始濃度為10mg/L的RhB的水溶液中，采用300W氙燈模擬太陽(yáng)光光源。在進(jìn)行光照前，在黑暗中攪拌60min，使有機(jī)染料與光催化劑表面均勻擴(kuò)散，從而最終達(dá)到吸附-脫附平衡。在反應(yīng)過(guò)程中，不斷攪拌溶液，使反應(yīng)容器與空氣相通，并且在反應(yīng)中間間隔固定時(shí)間(20min)取樣，經(jīng)離心分離后，取5ml澄清溶液與紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)上測(cè)試RhB溶液在最大吸收波長(zhǎng)的吸光度，并計(jì)算RhB溶液濃度隨著光照時(shí)間的變化情況。

應(yīng)用對(duì)比例1：

應(yīng)用對(duì)比例1使用的光催化劑為市售普通的BiVO₄納米纖維光催化劑在同等條件下的羅丹明B(RhB)的光降解。

圖8為本發(fā)明應(yīng)用實(shí)施例1計(jì)算的降解速率和應(yīng)用對(duì)比例1計(jì)算的降解速率對(duì)比圖。從圖8可知，本發(fā)明制備的BiVO₄納米帶光催化劑具有更為高效的光降解效率，相比市售普通的BiVO₄納米纖維光催化劑，其降解效率可提高1.7倍以上，說(shuō)明本發(fā)明制備的光催化劑具有高效的光催化活性。

在上述實(shí)施例及其替換方案中，PVP和VO(acac)₂的質(zhì)量比還包括但不限于2：1、2.1：1、2.2：1、2.3：1、2.4：1、2.5：1、2.6：1、2.7：1、2.8：1、2.9：1、3：1。

在上述實(shí)施例及其替換方案中，Bi(NO₃)₃·5H₂O與VO(acac)₂的質(zhì)量比還包括但不限于1.5：1、1.6：1、1.7：1、1.8：1、1.9：1、2：1。

在上述實(shí)施例及其替換方案中，VO(acac)₂和DMF的質(zhì)量比還包括但不限于1：3、1：3.1、1：3.2、1：3.3、1：3.4、1：3.5、1：3.6、1：3.7、1：3.8、1：3.9、1：4。

在上述實(shí)施例及其替換方案中，PVP還包括PVP_k12、PVP_k15、PVP_k17、PVP_k25、PVP_k30、PVP_k45、PVP_k60、PVP_k70、PVP_k80、PVP_k85、PVP_k90、PVP_k90、PVP_k100、PVP_k110、PVP_k120、PVP_k150中的一種，還包括但不限于PVP_k12、PVP_k15、PVP_k17、PVP_k25、PVP_k30、PVP_k45、PVP_k60、PVP_k70、PVP_k80、PVP_k85、PVP_k90、PVP_k90、PVP_k100、PVP_k110、PVP_k120、PVP_k150中的任意幾種的混合。

在上述實(shí)施例及其替換方案中，PVP_k90和PVP_k30的質(zhì)量比還包括但不限于1：2、1：4、1：5。

在上述實(shí)施例及其替換方案中，VO(acac)₂和無(wú)水乙醇質(zhì)量比還包括但不限于1：3、1：3.1、1：3.2、1：3.3、1：3.4、1：3.5、1：3.6、1：3.7、1：3.8、1：3.9、1：4。

在上述實(shí)施例及其替換方案中，VO(acac)₂和冰醋酸的質(zhì)量比還包括但不限于1：2.5、1：2.6、1：2.7、1：2.8、1：2.9、1：3、1：3.1、1：3.2、1：3.3、1：3.4、1：3.5。

在上述實(shí)施例及其替換方案中，所述高溫?zé)峤獾臏囟群冒ǖ幌抻?00℃、410℃、420℃、430℃、440℃、450℃、460℃、470℃、480℃、490℃、510℃、520℃、530℃、540℃、550℃、560℃、570℃、580℃、590℃、600℃；保溫時(shí)間還包括但不限于0.5h、1.5h、2h。

鑒于本發(fā)明方案實(shí)施例眾多，各實(shí)施例實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)龐大眾多，不適合于此處逐一列舉說(shuō)明，但是各實(shí)施例所需要驗(yàn)證的內(nèi)容和得到的最終結(jié)論均接近，故而此處不對(duì)各個(gè)實(shí)施例的驗(yàn)證內(nèi)容進(jìn)行逐一說(shuō)明，僅以實(shí)施例1作為代表說(shuō)明本發(fā)明申請(qǐng)優(yōu)異之處。

本處實(shí)施例對(duì)本發(fā)明要求保護(hù)的技術(shù)范圍中點(diǎn)值未窮盡之處，同樣都在本發(fā)明要求保護(hù)的范圍內(nèi)。

本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說(shuō)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種修改或補(bǔ)充或采用類(lèi)似的方式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書(shū)所定義的范圍。

盡管對(duì)本發(fā)明已作出了詳細(xì)的說(shuō)明并引證了一些具體實(shí)施例，但是對(duì)本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，只要不離開(kāi)本發(fā)明的精神和范圍可作各種變化或修正是顯然的。