一種釹摻雜鐵酸鉍納米光催化劑及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光催化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種釹摻雜鐵酸鉍納米光催化劑及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]T12半導(dǎo)體光催化劑具有紫外光催化效率高、成本低、穩(wěn)定性能好等優(yōu)勢，可應(yīng)用于分解水制氫，光催化分解有機(jī)污染物，如甲基橙、羅丹明B、甲基藍(lán)等，然而由于T12寬的禁帶寬度(3.2eV)導(dǎo)致了對太陽光中占大多數(shù)的可見光利用率非常低，因此尋找可見光響應(yīng)型光催化劑顯得尤為重要。
[0003]鐵酸鉍(BiFeO3)是一種具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的多鐵材料，室溫下同時具有鐵電和鐵磁性。鐵酸鉍由于具有較窄的禁帶寬度(2.2?2.8eV)，能夠吸收占太陽光光譜48%的可見光，在光照條件下具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和光催化活性，引起了人們對其光催化性能的研究興趣。盡管鐵酸鉍在光催化方面具有很大的潛力，但高的光生電子-空穴復(fù)合率，導(dǎo)致鐵酸鉍的光催化性能低。研究表明，通過摻雜能改變鐵酸鉍的電子結(jié)構(gòu)或能帶結(jié)構(gòu)，可以有效降低光生電子-空穴的復(fù)合，并改善其光譜響應(yīng)，從而對其光催化性能進(jìn)行改善；同時，催化劑的顆粒尺寸對其光催化性能也具有重要影響，納米尺寸的光催化劑能夠具有更大的比表面積，在光催化反應(yīng)過程中能夠提供更多的表面活性位點。
[0004]因此，通過摻雜對鐵酸鉍電子結(jié)構(gòu)或能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，控制晶粒尺寸，是一種有效提高光催化活性的重要方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種釹摻雜鐵酸鉍光催化劑及其制備方法。本發(fā)明通過釹元素?fù)诫s的方式可以在一定程度上解決目前鐵酸鉍存在的光生電子-空穴復(fù)合率高、光量子效率低等問題，提高鐵酸鉍的可見光響應(yīng)性和光催化活性；同時該復(fù)合光催化劑的制備方法簡單，工藝條件易調(diào)控，成本低，易于工業(yè)生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。
[0006]本發(fā)明的釹摻雜鐵酸鉍納米光催化劑，其化學(xué)式為Bi(1 x)NdxFeO3 (O < x ^ 0.02)，具有多孔結(jié)構(gòu)，顆粒尺寸介于100?300nm范圍內(nèi)。
[0007]本發(fā)明提供了一種釹摻雜鐵酸鉍納米光催化劑的制備方法，其特征在于，是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0008](I)硝酸鐵、硝酸鉍和硝酸釹按化學(xué)式Biu x)NdxFeO3(O < x ^ 0.02)的計量比溶解在含有0.1?0.3mol/L酒石酸作為螯合劑的乙二醇溶液中，混合攪拌均勻，溶液中陽離子的總摩爾濃度為0.1?0.2mol/L ；
[0009](2)將步驟(I)所得混合溶液加熱到70?90°C，恒溫加熱1.5?2.5h得到溶膠；
[0010](3)將步驟⑵中所獲得溶膠放置于100?120°C的烘箱中，保溫24h后得到干凝膠；
[0011](4)將步驟(3)得到的干凝膠放入瑪瑙研缽中研磨，研磨后放入馬弗爐內(nèi)焙燒，350°C下保溫8?10h，然后升溫到550°C，保溫4?6h后自然冷卻到室溫，獲得最終所需的釹摻雜鐵酸鉍納米光催化劑。
[0012]本發(fā)明釹摻雜鐵酸鉍光催化劑的光催化活性是通過可見光照下光催化降解有機(jī)染料的方式進(jìn)行測定的，具體如下:
[0013]稱取0.1?0.5g的釹摻雜鐵酸鉍納米光催化劑加入到100?200ml甲基橙溶液中(初始濃度為10?20mg/L，標(biāo)記為C。)，在暗處磁力攪拌0.5?Ih達(dá)到吸附平衡，打開功率為500W氙燈(模擬太陽能光譜，安裝有λ ^ 420nm的濾波片)，光催化反應(yīng)過程中保持磁力攪拌，且使用冷卻循環(huán)機(jī)使反應(yīng)過程保持常溫，避免光照所產(chǎn)生的熱影響光催化反應(yīng)，每30min取樣，取樣溶液經(jīng)9000rpm/min高速離心20?30min后，在紫外-可見分光光度計上測試溶液濃度(標(biāo)記為C)，由此可以測試獲得不同光照時間下光催化劑對有機(jī)染料甲基橙溶液的光催化降解率為:(1-C/C。)X 100%。
【附圖說明】
[0014]圖1 (a)是實施例1所制備的釹摻雜鐵酸鉍和未摻雜鐵酸鉍的XRD譜圖，圖1 (b)是衍射峰位于2 Θ =30°?35°的放大XRD譜圖；
[0015]圖2是實施例1所制備的BiQ.9SNcU2FeO#P未摻雜鐵酸鉍(BiFeO 3)的SEM圖；
[0016]圖3是實施例1所制備的釹摻雜鐵酸鉍和未摻雜鐵酸鉍的紫外-可見漫反射(DRS)光譜;
[0017]圖4是實施例1所制備的釹摻雜鐵酸鉍和未摻雜鐵酸鉍對甲基橙溶液的可見光降解圖。
【具體實施方式】
[0018]下面通過具體的實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，以下實施例可以使本專業(yè)技術(shù)人員更全面的理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。
[0019]實施例1:
[0020]按化學(xué)式Bia99NcU1FeO3的計量比例稱取4.802g五水合硝酸鉍(Bi (NO 3) 3.5Η20)、0.043g六水合硝酸釹(Nd(NO3)3.6Η20)、4.04g九水合硝酸鐵(Fe (NO3)3.9H20)，按化學(xué)式8土。.98制。.。和03的計量比例稱取4.753g五水合硝酸鉍、0.087g六水合硝酸釹、4.04g九水合硝酸鐵和按化學(xué)式BiFeOJ^計量比例稱取4.850g五水合硝酸鉍、4.04g六水合硝酸鐵分別溶解在130ml的0.2mol/L酒石酸的乙二醇溶液中，混合攪拌均勻，溶液中陽離子的總摩爾濃度為0.15mol/L ;所得三種不同前驅(qū)體溶液分別加熱到80°C，保持加熱2h得到三種不同溶膠；所獲得三種溶膠分別放置于110°C的烘箱中，持續(xù)烘干得到三種不同的干凝膠；得到的三種干凝膠分別放入瑪瑙研缽中研磨，研磨粉體在馬弗爐內(nèi)焙燒，350°C保溫9h，1.5h升溫到550°C，保溫5h后自然冷卻到室溫，分別得到Bi0.99Nd0.01Fe03, Bi0.9SNdQ.Q2Fe03和未摻雜鐵酸鉍三種不同納米光催化劑。
[0021]分別稱取0.3g的上述制備的釹摻雜鐵酸鉍或未摻雜鐵酸鉍納米光催化劑加入到10ml濃度為10mg/L甲基橙的溶液中，在暗處磁力攪拌Ih達(dá)到吸附平衡，在可見光條件下照射光催化反應(yīng)過程中，且使用冷卻循環(huán)機(jī)使反應(yīng)過程保持常溫，每30min取樣，取樣溶液使用9000rpm/min的離心機(jī)離心30min去除催化劑，除去催化劑的溶液濃度在紫外-可見分光光度計上進(jìn)行分析，測試獲得不同光照時間下三種不同光催化劑對有機(jī)染料甲基橙溶液的光催化降解曲線。
[0022]圖1為實施例1所制備的釹摻雜鐵酸鉍和未摻雜鐵酸鉍的X射線衍射圖。從圖1(a)可以看出，以本發(fā)明方法制備獲得了釹摻雜鐵酸鉍及未摻雜鐵酸鉍，未觀察到其它雜相；從圖1(b)可以看出，以本發(fā)明方法制備的釹摻雜鐵酸鉍納米劑的衍射峰向大角度發(fā)生了偏