一種可見光光催化劑Bi<sub>2</sub>O<sub>3</sub>/TiO<sub>2</sub>的製備方法
2023-05-13 07:25:11
專利名稱：一種可見光光催化劑Bi2O3/TiO2的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種可見光光催化劑Bi203/Ti02的製備方法，並應用於水體中有機汙 染物的降解，屬催化材料和環境化工的技術領域。
背景技術：
20世紀80年代後期，開始了光催化氧化法在環境汙染控制領域的應用研究。由於 該技術能有效地礦化許多結構穩定的生物難降解汙染物，與傳統的處理方法相比，具有明 顯的高效、汙染物降解徹底等優點，所以日益受到重視。多相光催化反應所使用的半導體催 化劑中，Ti02以其無毒、催化活性高、穩定性好，在廢水處理中的應用潛力已有許多文獻報 道，是目前研究中採用得最多、最理想的光催化劑。但是，1102的禁帶寬度為3. 2eV，光譜響 應範圍較窄，光吸收波長主要集中在小於387nm的紫外區，而這部分光僅佔照射到地面的 太陽光總能量的4%，限制了對太陽能的利用。因此，非常有必要研究具有可見光活性的高 效光催化劑。 最新研究發現，兩種不同禁帶寬度的半導體複合，能促進電荷分離，抑制電子-空 穴的複合和擴展光譜吸收範圍。因此，將二氧化鈦與窄禁帶寬度的半導體材料進行複合，可 以有效地提高催化劑的光催化活性。Bi203半導體的禁帶為2. 8eV，可以很好地活化吸收可 見光，但其光生電子_空穴對的氧化還原電勢不利於催生氧化性物質，且極易重新複合和 容易發生光腐蝕，使用壽命有限。由於81203的導帶和價帶能級都比1102的高，81203與1102 半導體複合，在可見光波長範圍內，發生電子躍遷後，光生電子留在Bi203的導帶，光生空穴 則遷移到1102的價帶上，從而起到了抑制光生電子-空穴複合的作用，形成了降解有機汙 染物的可見光催化劑活性。同時，81203與1102半導體複合，可以有效抑制光腐蝕的發生，在 實際應用方面具有特別重要的意義。 中國專利CN 101234344A公開了一種原位合成複合光催化材料的方法，通過在 無機粒子表面上包裹有機聚合物實現了無機物與有機物之間的結構和功能互補，在可見 光照射下能有效降解有機汙染物。但是有機聚合物本身具有阻光性，並且能被光催化降 解。ZhenfengBian， Hexing Li採用自組裝合成法製備介孔複合半導體Bi203/Ti02，在入> 420nm的可見光照射下，6小時後氯酚的降解率為49% ，光穩定性好，但是製備過程中採用 三嵌段共聚物P123做模板劑，成本高(J. Phys. Chem. C 2008， 112， 6258-6262)。陳華軍，尹 國傑，吳春來採用超聲波作用下共水解法製備81203/1102複合光催化劑，利用了超聲空化效 應，在125W的高壓汞燈照射下，75分鐘後有機染料(調整^ = 3. 5)的脫色率高達99.6%。 (環境工程學報2008年第2巻第11期)。
發明內容
本發明提供了一種複合半導體81203/1102可見光光催化劑的製造方法，該方法包 括以下步驟 (1)將十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)加入到無水乙醇中，超聲溶解，形成透明溶
3液A，其中十六烷基三甲基溴化銨的濃度為0. 008 0. 028mol/L ; (2)將鈦酸丁酯加入到溶液A中，超聲溶解，形成淡黃色透明溶液B，其中十六烷基 三甲基溴化銨與鈦酸丁酯的摩爾百分比為1. 2 2% ; (3)攪拌狀態下，將溶液B加熱至75 85°C ，再加入五水硝酸鉍，超聲分散，形成 淡黃色溶膠，其中五水硝酸鉍與鈦酸丁酯的摩爾百分比為1. 0 2. 6% ;
(4)在25 45t:下靜置，直至形成淡黃色凝膠；
(5)80 IO(TC下老化數小時，得到淡黃色小顆粒； (6)由室溫升至450 55(TC，焙燒5 8小時，然後自然冷卻至室溫，得到具有可 見光光催化活性的Bi203/Ti02。
本發明的有益效果是 1.抑制了光生電子-空穴的複合，提高了光催化反應的量子效率。 2.操作簡單，成本低廉，為光催化技術進入實用階段奠定了基礎。 3.具有較高的可見光光催化性能，提高了對太陽能的利用率。 如圖1所示，是81203/1102複合半導體的紫外-可見漫反射光譜；1102僅在紫外區
有較強吸收，Bi203/Ti02複合半導體不但能夠吸收紫外光，而且能吸收可見光，複合材料光
催化降解有機汙染物的反應能被可見光激發。如圖2為製備Bi203/Ti02複合半導體的TEM
圖。該圖體現出樣品的尺寸為10nm-20nm，樣品顆粒小，光生電子-空穴容易遷移到顆粒表
面，利於光催化反應的進行。 本發明製備的Bi203/Ti02複合半導體，在400 600nm的可見光區域有較強的吸 收，並且在可見光照射下，5小時內80ml甲基橙溶液(10mg/L)的降解率為75% ，而在同樣 的條件下，純Ti02的降解率僅為2%。
圖1為Bi203/Ti02複合半導體的紫外_可見漫反射光譜；
圖2為製備Bi203/Ti02複合半導體的TEM圖。
具體實施方式
實施例1 : (1)將0. 1克十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)加入到15mL無水乙醇中，超聲溶解， 形成CTAB濃度為0. 018mol/L的透明溶液A ; (2)將6mL鈦酸丁酯加入到溶液A，超聲溶解，形成CTAB與鈦酸丁酯的摩爾百分比 為1.6X的淡黃色溶液B; (3)攪拌狀態下，溶液B升溫至80°C ，加入0. 154克五水硝酸鉍，超聲分散，形成五 水硝酸鉍與鈦酸丁酯的摩爾百分比為1. 8%的淡黃色溶膠；
(4) 25t:下靜置，形成淡黃色凝膠；
(5) 9(TC下老化，得到淡黃色小顆粒； (6)室溫下升溫至450°C ，焙燒8小時，然後自然冷卻至室溫，得到具有可見光催化 活性的Bi203/Ti02複合半導體。 考察光催化的活性指將被測樣品對甲基橙溶液降解脫色來表徵的。
具體過程如下 稱取0. 08克的催化劑，量取80ml的甲基橙溶液(10mg/L)，黑暗狀態下攪拌60分 鍾達到吸附脫附平衡，取樣作為光降解初始濃度，然後在可見光光源500瓦氙燈下進行光 催化反應(JB400濾光片濾掉波長小於400nm的紫外光)，光源與甲基橙溶液上層液面相距 16釐米。反應在5小時後取樣離心分離，取上層溶液用紫外可見光漫反射光譜測其吸光度。 經過計算，甲基橙的降解率為75%。
實施例2 : (1)將O. 06克十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)加入到20mL無水乙醇中，超聲溶解， 形成CTAB濃度為0. 008mol/L的透明溶液A ; (2)6mL鈦酸丁酯加入到溶液A，超聲溶解，形成CTAB與鈦酸丁酯的摩爾百分比為 1.2X的淡黃色透明溶液B ; (3)攪拌狀態下，溶液B升溫至75t:，加入0. 09克五水硝酸鉍，超聲分散，形成五 水硝酸鉍與鈦酸丁酯的摩爾百分比為1. 0%的淡黃色溶膠；
(4) 45t:下靜置，形成淡黃色凝膠；
(5) 8(TC下老化，得到淡黃色小顆粒； (6)室溫下升溫至550°C ，焙燒5小時，然後自然冷卻至室溫，得到具有可見光催化 活性的Bi203/Ti02複合半導體。 考察光催化的活性，如同實施例1的方法，甲基橙的降解率為65%。
實施例3 : (1)將O. 15克十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)加入到15mL無水乙醇中，超聲溶解， 形成CTAB濃度為0. 028mol/L的透明溶液A ; (2)6ml鈦酸丁酯加入到溶液A，超聲溶解，形成CTAB與鈦酸丁酯的摩爾百分比為 2X的淡黃色透明溶液B ; (3)攪拌狀態下，溶液B升溫至85t:，加入0. 22克五水硝酸鉍，超聲分散，形成五 水硝酸鉍與鈦酸丁酯的摩爾百分比為2. 6%的淡黃色溶膠；
(4) 35t:下靜置，形成淡黃色凝膠；
(5) IO(TC下老化，得到淡黃色小顆粒。 (6)室溫下升溫至50(TC，焙燒6. 5小時，然後自然冷卻至室溫，得到具有可見光催 化活性的Bi203/Ti02複合半導體。 考察光催化的活性，如同實施例1的方法，甲基橙的降解率為70%。 本發明對提出的一種可見光光催化劑81203/1102的製備方法，已進行了詳細的描
述，相關技術人員明顯能在不脫離本發明內容、精神和範圍內對本文所述的方法進行改動
或適當變更與組合，來實現本發明技術。特別需要指出的是，所有相類似的替換和改動對本
領域技術人員來說是顯而易見的，他們都被視為包括在本發明精神、範圍和內容中。
權利要求
一種可見光光催化劑Bi2O3/TiO2的製備方法，其特徵是包括以下步驟(1)將十六烷基三甲基溴化銨加入到無水乙醇中，超聲溶解，形成透明溶液A，其中十六烷基三甲基溴化銨的濃度為0.008～0.028mol/L；(2)鈦酸丁酯加入到溶液A中，超聲溶解，形成淡黃色透明溶液B，其中十六烷基三甲基溴化銨與鈦酸丁酯的摩爾百分比為1.2～2％；(3)攪拌狀態下，將溶液B升溫至75～85℃，加入五水硝酸鉍，超聲分散，形成淡黃色溶膠，其中五水硝酸鉍與鈦酸丁酯的摩爾百分比為1.0～2.6％；(4)25～45℃下靜置，形成淡黃色凝膠；(5)80～100℃下老化，得到淡黃色小顆粒；(6)室溫下升溫至450～550℃，焙燒5～8小時，然後自然冷卻至室溫，得到具有可見光光催化活性的Bi2O3/TiO2。
全文摘要
本發明涉及一種可見光光催化劑Bi2O3/TiO2的製備方法，(1)將十六烷基三甲基溴化銨加入到無水乙醇中，超聲溶解，形成透明溶液A；(2)鈦酸丁酯加入到溶液A，超聲溶解，形成淡黃色透明溶液B；(3)攪拌狀態下，溶液B升溫至75～85℃，加入五水硝酸鉍，超聲分散，形成淡黃色溶膠；(4)25～45℃下靜置，形成淡黃色凝膠；(5)80～100℃下老化，得到淡黃色小顆粒；(6)室溫下升溫至450～550℃，煅燒5～8小時，然後自然冷卻至室溫，得到具有可見光催化活性的Bi2O3/TiO2複合半導體。本發明抑制了光生電子-空穴的複合，提高了光催化反應的量子效率。操作簡單，成本低廉，為光催化技術進入實用階段奠定了基礎，具有較高的可見光光催化性能，提高了對太陽能的利用率。
文檔編號A62D3/00GK101745377SQ20091007077
公開日2010年6月23日 申請日期2009年10月12日 優先權日2009年10月12日
發明者劉元德, 王富民, 羅善霞, 辛峰 申請人:天津大學