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CN102989507A - 球形铋基Bi-DMF光催化剂的制备及性能检测方法 - Google Patents

球形铋基Bi-DMF光催化剂的制备及性能检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种铋基光催化剂的制备及性能检测方法，属于有机材料领域。其特征是，通过加热回流方法制备形貌规整、均一的球形铋基催化剂。合成方法为：将Bi(NO3)3·5H2O溶于醋酸，以乙二醇为反应介质，搅拌混匀，再加入一定体积的二甲基甲酰胺后，将得到的溶液经加热回流并搅拌即得到产物Bi-DMF花球。将制备的Bi-DMF花球在可见光条件下进行光催化性能测试，2h内罗丹明由紫色褪为无色，降解完全。本发明材料制备方法简易，合成温度低，反应时间短，原料价格低，易于工业化生产。研究表明此球形铋基催化剂在可见光范围内，具有良好的光催化性能，且较易回收，重复使用，说明其在环境净化方面具有广阔的发展应用价值。

Description

球形铋基Bi-DMF光催化剂的制备及性能检测方法
技术领域
本发明属于有机材料领域，涉及一种三维纳米/微米多级结构铋基催化剂材料的制备及其在可见光催化性能的研究，其特点是采用一种简易的加热回流合成方法合成了形貌规整、均一的球形铋基催化剂，根据原料制备条件命名为Bi-DMF花球。以罗丹明溶液为光催化反应的目标化合物，研究表明此Bi-DMF花球在可见光范围内对罗丹明溶液具有很好的降解作用，说明其在环境净化方面具有广阔的发展前景。
背景技术
现今环境污染已经成为人类面临的一个严峻的考验，催化降解的材料也成为近年来研究的热点之一，光催化技术可以将低密度的太阳能转化为高密度的化学能和电能，直接利用太阳光降解和矿化水与空气中的各类污染物，受到了人们的极大关注。TiO2由于光催化性好，稳定性好，是目前使用较多的光催化剂。但TiO2的帯隙较宽（3.2ev），只能吸收波长λ≦387nm的紫外光。近年来,一些研究者探索了新型光催化剂的开发，并取得了一些重要进展。铋系光催化剂具有良好的催化性能，特别是在可见光范围内有明显的吸收,这是它们共同的显著的特点和优势。目前，铋基催化剂纳米材料的合成方法主要有气相法、固相法、液相法。在所制备的产品中，有些新型的光催化剂尽管其在紫外光区和可见光区均具有良好的光催化性能，但是其制备方法一般需要较高温度、复杂的工艺过程和制备设备等苛刻条件，改善光催化剂的制备方法，是光催化剂的一个重要研究方向。随着对铋系光催化剂的研究的不断深入，三维纳米/微米多级结构相对于2维、1维及0维纳米材料表现现出了其优越性，引起了人们极大的兴趣。尽管做出了很多努力，有着可控形貌和尺寸的纳米/微米多级材料结构的合成依然是个挑战。因此，采用一种改善光催化剂的制备方法可以精确控制产物形貌的简易方法对制备特殊形貌的材料来说具有很重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种简易、低成本的化学方法来获得外观形貌均一、可操控强的球形铋基可见光催化剂Bi-DMF花球。
一种球形铋基Bi-DMF光催化剂的制备方法，其特点是通过加热回流并持续搅拌的方法制备形貌规整、均一的球形铋基催化剂三维纳米/微米多级结构材料。合成步骤为：将Bi(NO3)3·5H2O作为铋源溶于醋酸中搅拌15min使其充分溶解，形成醋酸铋溶液，以有机溶剂乙二醇作为反应介质，加入到醋酸铋溶液中，搅拌30min，接着加入一定体积的二甲基甲酰胺（简称 DMF），搅拌15min后，将得到的澄清溶液放置到100ml三颈瓶中，加热回流并持续搅拌，出现大量白色沉淀，等反应结束并且冷却至室温后，将所得到的白色沉淀转移至离心管中，用蒸馏水和乙醇交替离心洗涤共六次，再把所得产物在 60～80 °C温度范围的烘箱内干燥 12～16h后，即得到球形铋基光催化剂，称为Bi-DMF花球。
各种反应物的浓度范围以及相关的反应条件为：在醋酸-乙二醇-二甲基甲酰胺反应体系中，Bi(NO3)3在反应体系中的浓度为0.05mol/L，反应体系中醋酸与乙二醇的体积比为0.5～1.25，DMF的加入量为0.500～0.630 mL/mL，加热回流温度为60～120 °C，加热回流反应时间为10 min～60min，加热回流过程中需持续搅拌。
各反应物的加入应该有一定的顺序，即应先把铋源溶于到醋酸中，再加入一定量的乙二醇。
球形铋基Bi-DMF光催化剂通过扫描电镜观察可发现产物呈球形，球状分级结构，具有很好的球形纳米/微米多级结构，平均直径约2-8um，由许多纳米片相互交织而成，纳米片厚度为30～50nm之间，组成许多开放的多孔结构。
球形铋基Bi-DMF光催化剂性能的测试方法为：将制备的Bi-DMF光催化剂粉体0.2g加入到200ml的10-5mol/L的罗丹明有色染料中，在可见光λ﹥420nm范围内，进行光催化测试，表明这种Bi-DMF光催化剂在可见光条件下具有良好的光催化性能，对有色染料的光催化降解具有潜在的应用价值。
本发明材料制备方法简易，设备简单，合成温度较低，反应时间较短，原料价格低廉，无需昂贵的表面活性剂作为模板；所使用的溶剂以及其他反应物具有不污染环境、节省能源、转化率高、易于工业化生产等特点。此外，这种合成方法可以有效地控制产物的形貌，，性质稳定，可重复性强，是一种理想的绿色工艺。研究表明此Bi-DMF花球在可见光范围内，具有良好的光催化性能，并且较易回收，重复使用，说明其在环境净化方面具有广阔的发展应用价值。说明其在环境净化方面具有广阔的发展应用价值。
附图说明
图1加热回流反应温度80℃、加热回流反应时间20min，反应体系中醋酸20ml和乙二醇20ml，二甲基甲酰胺40ml条件下合成的最终产物Bi-DMF花球的XRD图谱以及催化后回收的Bi-DMF花球的XRD图谱。
图2加热回流反应温度80℃、加热回流反应时间20min，反应体系中醋酸20ml和乙二醇20ml，二甲基甲酰胺40ml条件下合成的最终产物Bi-DMF花球的扫描电镜图片。
图3加热回流反应温度80℃、加热回流反应时间20min，反应体系中醋酸20ml和乙二醇20ml，二甲基甲酰胺40ml条件下合成的最终产物Bi-DMF花球在可见光照射条件下对RhB溶液的光催化降解曲线。
具体实施方式
实施例一
称取2g Bi(NO3)3·5H2O溶于14ml的醋酸中，搅拌15 min，接着加入26ml乙二醇，搅拌30min，最后加入40ml的二甲基甲酰胺，搅拌15 min，将得到的澄清溶液放置于100ml三颈瓶中，加热回流至80℃，并持续搅拌，反应时间为20min，出现大量白色沉淀，把得到的沉淀用蒸馏水和乙醇各洗涤三次，并在80 °C 的烘箱内干燥12h，即得到最终产物，所得到的产物为白色粉末。
实施例二
称取2g Bi(NO3)3·5H2O溶于16ml的醋酸中，搅拌15 min，接着加入14ml乙二醇，搅拌30min，最后加入50ml的二甲基甲酰胺，搅拌15 min，将得到的澄清溶液放置于100ml三颈瓶中，加热回流至80℃，并持续搅拌，反应时间为20min，出现大量白色沉淀，把得到的沉淀用蒸馏水和乙醇各洗涤三次，并在80 °C 的烘箱内干燥12h，即得到最终产物，所得到的产物为白色粉末。
实施例三
称取2g Bi(NO3)3·5H2O溶于20ml的醋酸中，搅拌15 min，接着加入20ml乙二醇，搅拌30min，最后加入40ml的二甲基甲酰胺（DMF），搅拌15 min，将得到的澄清溶液放置于100ml三颈瓶中，加热回流至60℃，并持续搅拌，反应时间为20min，出现大量白色沉淀，把得到的沉淀用蒸馏水和乙醇各洗涤三次，并在80 °C 的烘箱内干燥12h，即得到最终产物，所得到的产物为白色粉末。
实施例四
称取2g Bi(NO3)3·5H2O溶于20ml的醋酸中，搅拌15 min，接着加入20ml乙二醇，搅拌30min-，最后加入40ml的二甲基甲酰胺，搅拌15 min，将得到的澄清溶液放置于100ml三颈瓶中，加热回流至120℃，并持续搅拌，反应时间为20min，出现大量白色沉淀，把得到的沉淀用蒸馏水和乙醇各洗涤三次，并在80°C 的烘箱内干燥12h，即得到最终产物，所得到的产物为白色粉末。
实施例五
称取2g Bi(NO3)3·5H2O分别溶于20ml的醋酸中，搅拌15 min，接着加入20ml乙二醇，搅拌30min，最后加入40ml的二甲基甲酰胺，搅拌15 min，将得到的澄清溶液放置于100ml三颈瓶中，加热回流至80℃，并持续搅拌，反应时间为20min，出现大量白色沉淀，把得到的沉淀用蒸馏水和乙醇各洗涤三次，并在80 °C 的烘箱内干燥12h，即得到最终产物，所得到的产物为白色粉末。将所得到的干燥后的白色粉末铋基催化剂Bi-DMF花球0.2g加入到200ml 罗丹明（RhB，10-5mol/L）中，先在黑暗条件下放置30min，以达到染料与催化剂之间的吸附平衡，之后将其转至可见光λ﹥420nm，照射条件下，每隔30min取出2ml悬浊液，离心后用紫外分光光度计测试滤液吸收波长变化。

Claims (4)

1.一种球形铋基Bi-DMF光催化剂的制备方法，其特征是，通过加热回流并持续搅拌的方法制备形貌规整、均一的球形铋基催化剂三维纳米/微米多级结构材料，
合成步骤为：将Bi(NO3)3·5H2O作为铋源溶于醋酸中搅拌使其充分溶解得到醋酸铋溶液，以有机溶剂乙二醇作为反应介质，加入到醋酸铋溶液中，搅拌混匀，再加入一定体积的二甲基甲酰胺后，将得到的澄清溶液放置到三颈瓶中，加热回流并持续搅拌，出现大量白色沉淀，等反应结束并且冷却至室温后，将所得到的白色沉淀转移至离心管中，用蒸馏水和乙醇交替离心洗涤共5-7次，再把所得产物在 60～80 °C温度范围的烘箱内干燥 12～16h后，即得到球形铋基Bi-DMF光催化剂，称为Bi-DMF花球。
2.如权利要求1所述一种球形铋基Bi-DMF光催化剂的制备方法，其特征是，各种反应物的浓度范围以及相关的反应条件为：在醋酸-乙二醇-二甲基甲酰胺反应体系中，Bi(NO3)3在反应体系中的浓度为0.05mol/L，反应体系中醋酸与乙二醇的体积比为0.5～1.25，二甲基甲酰胺的加入量为0.500～0.630 mL/mL，加热回流温度为60～120 °C，加热回流反应时间为10 min～60min，加热回流过程中需持续搅拌。
3.如权利要求1或2所制备的一种球形铋基Bi-DMF光催化剂性能的测试方法，其特征是，将制备的Bi-DMF光催化剂粉体0.2g加入到200ml的10-5mol/L的罗丹明有色染料中，在可见光λ﹥420nm范围内，进行光催化测试，在2h内罗丹明由紫色褪为无色，降解完全，催化效率可达95%以上；表明这种Bi-DMF光催化剂在可见光条件下具有良好的光催化性能，对有色染料的光催化降解具有潜在的应用价值。
4.根据权利要求 1所述一种球形铋基Bi-DMF光催化剂的制备方法，其特征在于：各反应物的加入应该有一定的顺序，即应先把铋源溶于到醋酸中，再加入一定量的乙二醇。
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