/c復(fù)合光催化劑及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于污水光催化降解方面的復(fù)合光催化劑，具體涉及一種 (Bi0)2C03/C復(fù)合光催化劑及其在光催化降甲基紫方面的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著人們對(duì)光催化氧化技術(shù)不斷深入的研究，光催化作為一種新型的技術(shù)已經(jīng)廣 泛應(yīng)用到環(huán)境質(zhì)量當(dāng)中，尤其是隨著人類(lèi)社會(huì)的不斷發(fā)展，工業(yè)廢水當(dāng)中的有機(jī)物加劇，而 染料廢水是這些污染物的重要來(lái)源，嚴(yán)重威脅到人類(lèi)賴(lài)以生存的水資源。近幾年，以光催化 氧化為典型的高級(jí)氧化逐漸成為重要的工業(yè)廢水處理技術(shù)，受到越來(lái)越多企業(yè)人士和研究 人員的青睞。
[0003] 光催化劑在光催化降解的過(guò)程中，其使用主要為固定態(tài)和游離態(tài)兩種方式。所謂 的游離態(tài)就是催化劑在反應(yīng)體系中的利用是以未負(fù)載的形式、均勻的懸浮于體系當(dāng)中。這 種形式下由于幾乎沒(méi)有傳質(zhì)阻力，有機(jī)污染物和光催化劑顆?？梢赃M(jìn)行充分的接觸，理論 上其催化降解效率比較高。但是因?yàn)楣獯呋瘎┰诜磻?yīng)過(guò)程中，其活性損失比較大，而且分散 溶液中的光催化劑回收過(guò)程比較繁瑣，同時(shí)懸濁液當(dāng)中的溶劑會(huì)對(duì)光的穿透性以及其它化 學(xué)組分對(duì)光的吸收的影響，會(huì)造成光催化降解率隨著溶液濃度的增加而減弱。此外，懸浮體 系中的光催化劑顆粒比較細(xì)小，不易分散，這導(dǎo)致懸浮液中的光催化劑在印染廢水處理中 難以廣泛利用。固定態(tài)是通過(guò)適當(dāng)?shù)姆椒ò压獯呋瘎┕潭ㄔ诤线m的載體上，因此光催化劑 就會(huì)以負(fù)載的形式來(lái)對(duì)污染物經(jīng)行光催化降解。近些年來(lái)的研究表明，負(fù)載型光催化劑能 夠很好的解決游離態(tài)光催化劑在使用過(guò)程中存在的問(wèn)題，進(jìn)而能夠提高其光催化效率。目 前人們嘗試的載體種類(lèi)很多，如多孔載體有活性白土、氧化鋁和活性炭等;非多孔載體有氧 化鋅、石棉和玻璃纖維等；硅藻土、石英和碳化硅等比表面積較小的物質(zhì)以及TiO 2和ZnO等 半導(dǎo)體類(lèi)載體。載體作為活性組分的骨架，起著分散活性組分并會(huì)增強(qiáng)催化劑強(qiáng)度的作用。
[0004] 鉍屬于P區(qū)元素，原子序數(shù)為83。鉍系光催化劑在半導(dǎo)體光催化材料中因其獨(dú)特的 電子結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的可見(jiàn)光吸收能力和較高的光催化性能而受到了國(guó)內(nèi)外研究者的普遍關(guān) 注。我國(guó)的鉍資源豐富，這為鉍系光催化劑的研究奠定了基礎(chǔ)。近幾年報(bào)道的新型鉍系光催 化材料有：8丨2冊(cè)6,812]?〇0 6,8^〇4,81他〇4,81卩6〇3,81(^，812112〇7和(810)2〇)3。在部分鉍系光 催化材料的禁帶結(jié)構(gòu)中，Bi6s和Bi6p軌道會(huì)分別參與價(jià)帶和導(dǎo)帶的構(gòu)成，導(dǎo)致近代寬度變 窄，從而光吸收的范圍從紫外區(qū)擴(kuò)展到可見(jiàn)光區(qū)，Bi 6s和02p軌道的雜化會(huì)使該類(lèi)光催化 材料的價(jià)帶更加的分散，這將有利于光生空穴在價(jià)帶上面的移動(dòng)，進(jìn)而會(huì)降低光生空穴和 光生電子的復(fù)合，這也是鉍系光催化材料具有良好可見(jiàn)光催化活性的原因之一。研究表明， 鉍系光催化材料形貌和結(jié)構(gòu)都較豐富，這些特定的形貌和結(jié)構(gòu)對(duì)光催化活性具有明顯的促 進(jìn)作用。
[0005] (BiO)2CO3于1984年被首次報(bào)道，當(dāng)時(shí)主要是用于位電極和醫(yī)藥等方面，直到2002 年，（Bi0) 2C03的晶體結(jié)構(gòu)才被確定。（Bi0) 2C03屬于Imm2空間群，為正交晶體結(jié)構(gòu)，晶胞參數(shù) 為&=3.865 4=3.865，。=13.6751。其晶體結(jié)構(gòu)是由[8丨202]2+和[0)3]2-交替組成，而且(0) 3)基 團(tuán)和Bi-O所結(jié)構(gòu)二者所在的平面層互相垂直，這種內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能會(huì)誘導(dǎo)晶體沿著特定的軸 向生長(zhǎng)成形成各向異性的片狀結(jié)構(gòu)。近幾年，（BiO)2CO3作為一種新型的光催化材料，受到越 來(lái)越多的關(guān)注。（BiO) 2CO3的禁帶寬度約為3.38 eV，只能接受紫外光，不能被可見(jiàn)光激發(fā)，文 獻(xiàn)報(bào)道的（BiO)2CO3-般未經(jīng)改性。目前，對(duì)于（BiO)2CO3/C復(fù)合型光催化劑尚未見(jiàn)相關(guān)報(bào) 道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種（Bi〇)2c〇3/c復(fù)合光催化劑及其應(yīng)用。采用以竹纖維 為碳源的碳纖維作為載體，利用簡(jiǎn)單易行的水熱法合成了（Bi0) 2C03/C復(fù)合材料。將碳纖維 的吸附性能和(BiO)2CO 3的光催化性能相結(jié)合，獲得了對(duì)有機(jī)污染物有效的催化降解。
[0007] 本發(fā)明采用以下技術(shù)方案： 一種(Bi0)2C03/C復(fù)合光催化劑，其特征在于，它是由下述方法制備的： (1) 竹纖維預(yù)處理:將竹纖維切成2 cm長(zhǎng)的節(jié)段，置于IOOtC沸水中煮30 min，煮沸后將 竹纖維進(jìn)行烘干處理，烘干溫度為80°C，保溫時(shí)間為6 h; (2) 竹纖維的炭化及Bi2O3負(fù)載:將步驟（1)處理的竹纖維浸泡在硝酸鉍溶液中，后將浸 漬充分的竹纖維取出擠干，吹干后放入馬弗爐中煅燒，得到碳纖維負(fù)載氧化鉍Bi 2〇3/C; (3) (Bi0)2C03/C的合成：取500mg步驟（2)制得的Bi2〇 3/C加入到100 mL碳酸鈉溶液中， 磁力攪拌20 min，后將混合物放入反應(yīng)釜中反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后的產(chǎn)物經(jīng)蒸餾水、乙醇洗滌后 烘干，即可得到(BiO) 2C03/C復(fù)合光催化劑。
[0008] 所述步驟(2)中硝酸鉍溶液的濃度為0.1 mol/L。
[0009] 所述步驟(2)中竹纖維浸泡時(shí)竹纖維與硝酸鉍的質(zhì)量比為1:15,浸漬時(shí)間為4 h。
[0010] 所述步驟(2)中馬弗爐煅燒溫度為500°C，時(shí)間為lh。
[0011]所述步驟(3)中碳酸鈉溶液的濃度為0.5 mol/L。
[0012] 所述步驟(3)中反應(yīng)釜中的反應(yīng)溫度為100~190°C，反應(yīng)時(shí)間為24 h。
[0013] 所述步驟(3)中烘干溫度為80 °C，烘干時(shí)間為8 h。
[0014] 上述（Bi0)2C03/C復(fù)合光催化劑的應(yīng)用，其特征在于，可用于催化降解處理甲基 紫，在500 W長(zhǎng)弧氙燈照射100 min后，甲基紫的降解率可達(dá)90%。
[0015] 本發(fā)明采用竹纖維炭化后作為碳纖維載體來(lái)制備(Bi0)2C03/C光催化劑。竹纖維是 提取于竹子中的一種纖維材料，我國(guó)竹類(lèi)資源十分豐富，約占世界竹資源的1/3,豐富的竹 資源為研究提供了豐富的原料。此外，竹纖維有良好的親水性，它的空隙比較發(fā)達(dá)且比表面 積大，其內(nèi)部有許多網(wǎng)狀的小孔，這些小孔是相互連通的，并且都通向載體的表面，在浸泡 過(guò)程中，溶液易于浸入到竹纖維的內(nèi)部，這位催化劑的負(fù)載提供了良好的條件；同時(shí)，竹纖 維的毛細(xì)管效應(yīng)強(qiáng)烈、縱向表面比較粗糙而且有許多較淺的溝槽，因此具有良好的吸濕性 和滲透性，這些特點(diǎn)都為光催化劑(BiO) 2CO3在其上面的生長(zhǎng)提供了有利條件。
[0016] 傳統(tǒng)的粉末狀光催化劑不利用于其回收，吸附劑只是將有機(jī)污染從液相轉(zhuǎn)移到固 相上，負(fù)載在碳纖維上面的催化劑相比粉末狀的催化劑更利于回收和二次利用，且能夠綜 合利用纖維的吸附和催化劑的降解能力，更符合環(huán)保的理念。本發(fā)明中碳化竹纖維一方面 作為(BiO) 2CO3的載體，另一方面，C可進(jìn)入(BiO)2CO3晶格實(shí)現(xiàn)摻雜效應(yīng)，使其能夠接受可見(jiàn) 光激發(fā)而發(fā)生光催化作用。
[0017] 本發(fā)明的有益效果是:采用以竹纖維為碳源的碳纖維作為載體，利用簡(jiǎn)單易行的 水熱法合成了（Bi0)2C0 3/C復(fù)合材料。將碳纖維的吸附性能和(BiO)2CO3的光催化性能相結(jié) 合，獲得了對(duì)有機(jī)污染物有效的催化降解。同時(shí)，碳纖載體對(duì)(BiO) 2CO3起到了良好的分散作 用，有效避免了粉末、顆粒狀催化劑回收困難問(wèn)題，便于更好的回收和二次利用，更符合環(huán) 保的理念。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1中a為不同光催化劑在氙燈照射下對(duì)降解甲基紫時(shí)降解時(shí)間與C/Co的關(guān)系曲 線;b為實(shí)施例3重復(fù)利用時(shí)，降解時(shí)間與C/Co之間相互關(guān)系曲線。
[0019]圖2中a是步驟2所制備的Bi2〇3/C的XRD; b是在Bi2〇3/C基礎(chǔ)上，實(shí)施例1、2、3所制 備試樣的XRD譜圖。
[0020] 圖3為本竹纖維(a)及實(shí)施例3合成試樣的SEM照片與EDS譜圖（b-f·)。
[0021] 圖4為發(fā)明中實(shí)施例3合成試樣的N2吸附脫附曲線(a)及孔徑分布曲線(b)。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明上述的和另外的技術(shù)特征和優(yōu)點(diǎn)作更詳細(xì)的說(shuō)明。 [0023] 實(shí)施例1 將竹纖維切成2 cm長(zhǎng)的節(jié)段，竹纖維置于100 °C的沸水中煮30 min，煮沸的目的是清 潔竹纖維表面，使其在后續(xù)高溫碳化過(guò)程中不黏連。煮沸后竹纖維進(jìn)行烘干處理，烘干溫度 為80 °C，保溫6 h。將處理后的竹纖維浸泡在0.1 mol/L硝酸鉍溶液中，竹纖維與硝酸鉍的 質(zhì)量比為1:15,浸漬時(shí)間為4 h，后將浸漬充分的竹纖維取出擠干，吹干后放入馬弗爐中煅 燒，煅燒溫度為500