FeSe/BiVO4複合光催化劑及製備方法與流程
2023-05-31 13:00:56
技術領域
本發明涉及光催化技術領域，尤其涉及一種用於降解有機物的FeSe/BiVO4複合光催化劑及製備方法。
背景技術：
光催化技術是從上世紀70年代逐步發展起來的在能源和環境領域有著重要應用前景的綠色技術。該技術能通過光催化劑光解水產生氫氣和氧氣，能使有機汙染物發生氧化還原分解反應，降解為CO2、H2O和無機離子等小分子物質。當前，TiO2是被用來研究最多的光催化劑。但由於TiO2光催化劑帶隙較寬（3.2eV），只能被佔太陽光4%能量的紫外光激發。因此，為了充分有效利用太陽光能量，目前許多研究組正在開發新型可見光響應的半導體光催化劑，其中最重要的一類就是鉍系半導體光催化劑。
鉍系半導體光催化材料如 BiOX(X=Cl、Br、I)，Bi2O3, BiVO4, Bi2WO6, Bi2Mo3O12, Bi4Ti3O12,等由於其獨特的晶體結構和電子結構，因而表現出較好的可見光催化活性，這是鉍系半導體光催化材料的共同特點和顯著優勢，其中具有代表性的是 BiVO4，但是由於其光生電子-空穴複合高，電子-空穴複合會大大降低光催化活性。目前科學家用金、銀、鉑等貴金屬與BiVO4複合能夠有效降低其光生電子-空穴複合率，但貴金屬價格昂貴不利於大面積推廣。
技術實現要素：
針對上述問題，本發明提供一種成本較低、效率高的FeSe/BiVO4複合光催化劑及製備方法。
為達上述發明目的，本發明採用的技術方案為：一種FeSe/BiVO4複合光催化劑，包括有FeSe納米棒、BiVO4顆粒，FeSe納米棒沉積在BiVO4顆粒表面。
較佳地，所述的BiVO4顆粒尺寸為0.5~5µm。
較佳地，所述的FeSe納米棒長度為0.3~ 1.2 µm、直徑為30 nm。
一種FeSe/BiVO4複合光催化劑製備方法，其特徵在於：包括以下步驟：
S1，利用化學沉澱法製備BiVO4顆粒；
S2，採用固相燒結法製備FeSe塊狀物；
S3，採用超聲剝離法製備FeSe納米棒；
S4，將步驟S1製備的BiVO4和S3製備的FeSe按98:2混合後超聲分散在無水乙醇中；
S5，將步驟S4分散好的溶液蒸發，得到FeSe/BiVO4複合光催化劑。
較佳地，所述步驟S3的超聲剝離法為：將2mg尺寸為1µm 的FeSe塊狀物放入100mL無水乙醇中，接著在細胞粉碎機上超聲粉碎2小時，得到長度為0.3~ 1.2 µm、直徑為30 nm FeSe納米棒。
較佳地，所述步驟S5具體為：將S4中分散好的溶液在油浴磁力攪拌器中於80℃攪拌加熱8小時，隨後在真空乾燥箱中150℃烘乾6小時，得到FeSe/BiVO4複合光催化劑。
本發明將BiVO4與FeSe複合，光生電子能夠從BiVO4轉移到FeSe表面上，電子能夠將吸附在FeSe表面的O2還原為氧自由基。同時，剩餘在BiVO4上的空穴將-OH氧化為羥基自由基。氧自由基和羥基自由基能夠將有機汙染物分解為二氧化碳和水。因此，FeSe與BiVO4複合後能夠有效提高其的光催化性能，且FeSe價格較低，整個製備工藝簡單，易推廣。
附圖說明
圖1為本發明實施例製備FeSe納米棒的場發射掃描電子顯微鏡圖像；
圖2為本發明實施例步驟S1中製備BiVO4的場發射掃描電子顯微鏡圖；
圖3為本發明實施例製備FeSe/BiVO4複合光催化劑的場發射掃描電子顯微鏡圖；
圖4為本發明實施例的光催化降解機理圖；
圖5為本發明實施例製備FeSe/BiVO4複合光催化劑用於降解有機物羅丹明B的效率圖。
具體實施方式
為更好地理解本發明，下面將結合附圖和具體實施方式對本發明的技術方案做進一步說明，參見圖1至圖5：
按本發明實施的FeSe/BiVO4複合光催化劑，進一步提高BiVO4的光催化效率，其材料由BiVO4顆粒表面沉積FeSe納米棒製得。BiVO4顆粒大小為0.5~5µm，FeSe納米棒長度為0.3~ 1.2 µm、直徑為30 nm。圖1為採用超聲剝離法製得FeSe納米棒的場發射掃描電子顯微鏡圖像：FeSe納米棒長度為0.3~ 1.2 µm、直徑為30 nm。圖2為顆粒尺寸為0.5~5µm 的BiVO4場發射掃描電子顯微鏡圖像。圖3為本發明實施例製備FeSe/BiVO4複合光催化劑的場發射掃描電子顯微鏡圖，從圖3可看出，FeSe納米棒不均勻地分布在BiVO4顆粒表面。
按本發明實施的FeSe/BiVO4複合光催化劑製備方法，包括以下步驟：
S1，利用化學沉澱法製備BiVO4顆粒：將12 mmol Bi(NO3)3·5H2O 溶解在64 mL HNO3溶液（1 M/L）中，攪拌1.5小時。隨後將12 mmol NH4VO3添加到上述溶液中繼續攪拌1.5小時；接著將3 g 尿素添加到溶液中80 oC 加熱 24；將沉澱用去離子水和酒精各清洗3次；最後在60 oC 乾燥 24小時。
S2，採用固相燒結法製備FeSe塊狀物：Fe (Alfa, 99.99%) 和 Se (Alfa, 99.99%) 粉末按1：1的比例在手套箱中混合均勻，並將其壓成圓片；接著將圓片封裝在充滿氬氣的石英管中；然後將其緩慢加熱到700°C，並在 700°C 保溫 24後隨爐冷卻到室溫；將圓片研磨成粉末後再壓片，並在700°C 保溫 24小時，最後在400 °C 保溫 36小時，將其研細，即得到FeSe粉末。
S3，採用超聲剝離法製備FeSe納米棒：將2mg尺寸為1µm 的FeSe塊狀物放入100mL無水乙醇中，接著在細胞粉碎機上超聲粉碎2小時，得到長度為0.3~ 1.2 µm、直徑為30 nm FeSe納米棒。
S4，將步驟S1製備的BiVO4和S3製備的FeSe按98:2混合後超聲分散在無水乙醇中；
S5，將S4中分散好的溶液在油浴磁力攪拌器中於80℃攪拌加熱8小時，隨後在真空乾燥箱中150℃烘乾6小時，得到FeSe/BiVO4複合光催化劑。
如圖4，本發明工作機理圖為：BiVO4與FeSe複合後，光生電子能夠從BiVO4轉移到FeSe表面上，電子能夠將吸附在FeSe表面的O2還原為氧自由基。同時，剩餘在BiVO4上的空穴將-OH氧化為羥基自由基。氧自由基和羥基自由基能夠將有機汙染物分解為二氧化碳和水。因此，FeSe與BiVO4複合後能夠有效提高其的光催化性能。
通過降解羅丹明B來表徵FeSe/BiVO4複合物的光催化性能，以羅丹明B在554 nm處的吸收峰來表徵其濃度。將50mg的FeSe/BiVO4放入50mL濃度為10mg/L的羅丹明B溶液中攪拌1.5小時，隨後用可見光照射溶液，每隔30分鐘取一次溶液，並測量溶液的濃度。其結果如圖5所示。從圖5中可以得出，BiVO4與FeSe複合後其光催化性能得到了提高，大約為純BiVO4的8倍。