一種聚苯胺‑鉬酸鉍異質結光催化劑及其製備方法與應用與流程
2023-04-29 12:45:27 3
本發明屬於光催化材料技術領域，涉及了一種可見光響應聚苯胺-鉬酸鉍(PANI@Bi2MoO6)異質結光催化劑及其製備方法與應用。
背景技術：
近年來，隨著能源危機和環境汙染日益突出，光催化技術作為一種新型的水處理技術，在析氫和降解汙染物中的研究越來越受到人們的重視。研製和開發高效的具有可見光響應的光催化劑是，提高光催化劑活性、拓展光響應範圍是目前光催化領域研究的重要方向。Bi2MoO6是一種典型的的Aurivillius氧化，由[Bi2O2]2+層和MoO42-層交錯排列形成的類似三明治形狀的層狀結構。作為一種可見光響應的光催化劑，Bi2MoO6在降解汙染物方面表現出較好的光催化活性，但在實際應用中還是受到了較低的量子產率和可見光吸收利用率的制約。為了進一步提高Bi2MoO6的光催化性能，研究者們已經做了大量的探索工作，包括設計合理的結構特性、摻雜、與其他半導體複合等。其中，與其他半導體複合製備異質結光催化劑是一種能有效的提高光催化活性的方法，因此，Bi2MoO6複合光催化劑的製備和提高其催化活性成為行業中研究的重點。
技術實現要素：
本發明的目的是解決Bi2MoO6為可見光利用率低、光催化活性低等問題，提供一種可見光響應的聚苯胺-鉬酸鉍(PANI@Bi2MoO6)複合光催化劑及其製備方法。
本發明的另一目的在於提供可見光響應的聚苯胺-鉬酸鉍(PANI@Bi2MoO6)複合光催化劑在催化降解有機汙染物，如羅丹明B等物質中的應用。
本發明目的通過以下技術方案實現：
一種可見光響應的聚苯胺-鉬酸鉍(PANI@Bi2MoO6)複合光催化劑的製備方法，包括以下步驟：
(1)溶劑熱法製備Bi2MoO6微球：將鉍源的乙二醇溶液和鉬酸鹽的乙二醇溶液混合均勻，然後緩慢加入無水乙醇，攪拌混勻，置於反應釜中進行溶劑熱反應，離心，洗滌，乾燥，得到Bi2MoO6微球；步驟(1)中所述鉍源為Bi(NO3)3·5H2O，步驟(1)中所述鉬酸鹽為Na2MoO4·2H2O；
(2)配置Bi2MoO6-HCl分散溶液：將Bi2MoO6微球超聲分散於HCl溶液中，得到Bi2MoO6-HCl分散溶液；
(3)製備PANI@Bi2MoO6複合光催化劑：在冰水浴的條件下，將苯胺加入步驟(2)的Bi2MoO6-HCl分散溶液中，混勻，加入引發劑，攪拌反應，洗滌，乾燥，得到聚苯胺-鉬酸鉍(PANI@Bi2MoO6)複合光催化劑。
步驟(1)中所述鉍源的乙二醇溶液中鉍源與乙二醇的摩爾體積比為2mmol：(5～10)mL，優選為2mmol：5mL；
步驟(1)中所述鉬酸鹽的乙二醇溶液中鉬酸鹽與乙二醇的摩爾體積比為1mmol：(5～10)mL，優選為1mmol：5mL；
步驟(1)中所述鉍源與鉬酸鹽的摩爾比為2:1；
步驟(1)中所述無水乙醇與乙二醇的體積比為20mL：(5～10)mL，優選為2:1；
步驟(1)中所述攪拌混勻是指在室溫下攪拌20～30min混合均勻，步驟(1)中所述溶劑熱反應的條件為140～180℃反應10～16h。
步驟(1)中所述洗滌是指用無水乙醇和去離子水交替洗滌數次；步驟(1)中所述攪拌轉速為300～500r/min；步驟(1)中所述乾燥是指於60～75℃乾燥10～12h。
步驟(2)中所述Bi2MoO6微球與HCl溶液的質量體積比為(0.4～0.6)g：50mL，所述HCl溶液的濃度為0.05～0.15mol/L；
步驟(2)中所述超聲分散是指在頻率為20～60kHz的條件下超聲分散20～40min。
步驟(3)中所述的苯胺與引發劑的體積質量比為(2.5～10)μL：0.025g。
步驟(3)中所述引發劑為(NH4)2S2O8(APS)，所述引發劑在使用前需配成水溶液，所述水溶液中引發劑與水的質量體積比為(0.02～0.03)g：10mL。
步驟(3)中所述攪拌反應的時間為12～24h。
步驟(3)中所述苯胺與Bi2MoO6-HCl分散溶液中Bi2MoO6微球的體積質量比為(2.5～10)μL：0.5g。
步驟(3)中所述洗滌是指用無水乙醇和去離子水交替洗滌數次；步驟(3)中所述乾燥方法是指於60～75℃乾燥10～12h。
一種可見光響應的聚苯胺-鉬酸鉍(PANI@Bi2MoO6)複合光催化劑，通過以上方法製備得到。
上述聚苯胺-鉬酸鉍(PANI@Bi2MoO6)複合光催化劑在催化降解有機汙染物，如羅丹明B等物質中的應用。
聚苯胺(PANI)作為一種導電聚合物，具有良好的電學、光學以及氧化還原特性一直備受關注。由於聚苯胺具有優良的電磁微波吸收性能、電化學性能、化學穩定性及光學性能，獨特的摻雜性能，高的導電率，良好的環境穩定性和原料易得、合成簡單等優勢。本發明將聚苯胺與鉬酸鉍進行複合，製備PANI@Bi2MoO6異質結光催化劑，提高了光催化劑的活性，促進了光生電子空穴對的快速分離，同時抑制了光生電子的複合，從而提高了光催化劑的利用率。
本發明的製備方法及所得到的產物具有如下優點及有益效果：
(1)本發明的製備工藝簡單、環保，易於較大批量生產；
(2)本發明製備的PANI@Bi2MoO6異質結光催化劑，能夠通過調節PANI負載量使其催化性能達到最優；
(3)本發明製備的PANI@Bi2MoO6異質結光催化劑對有機汙染物特別是羅丹明B具有較好的降解效果，在可見光條件下降解有機染料汙染物方面具有很大的開發與應用前景。
附圖說明
圖1為實施例3製備的聚苯胺-鉬酸鉍(PANI@Bi2MoO6)複合光催化劑的電鏡掃描圖，a、b放大倍數均為50K倍，a、b為同一催化劑不同部位的SEM圖；
圖2為實施例1～4製備的聚苯胺-鉬酸鉍(PANI@Bi2MoO6)複合光催化劑及Bi2MoO6在可見光下對羅丹明B的降解曲線圖；[email protected]～PANI@Bi2MoO6-10分別對應實施例1～4。
具體實施方式
下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。
實施例1
(1)溶劑熱法製備Bi2MoO6微球：將2mmol Bi(NO3)3·5H2O和1mmol Na2MoO4·2H2O分別溶於5mL的乙二醇中，在磁力攪拌下將兩者混合均勻，並緩慢加入20mL的無水乙醇，在室溫下以400r/min的轉速攪拌30min，倒入50mL的反應釜中，在160℃下反應12h，以4000r/min的速度離心3min，採用無水乙醇和去離子水數次洗滌，在鼓風乾燥箱中60℃乾燥12h，得到Bi2MoO6微球；
(2)配置Bi2MoO6-HCl分散溶液：將0.5g的Bi2MoO6在頻率為40kHz的條件下超聲30min分散於50mL的0.1mol/L的HCl溶液中，形成均勻的Bi2MoO6-HCl分散溶液；
(3)製備PANI@Bi2MoO6複合光催化劑：在冰水浴中，將2.5μL的苯胺加入到步驟(2)的Bi2MoO6-HCl分散溶液中，以400r/min的轉速攪拌30min，逐滴加入引發劑的水溶液(0.025g(NH4)2S2O8(APS)溶於10mL去離子水)，繼續攪拌12h後，產物經過無水乙醇和去離子水數次洗滌、在鼓風乾燥箱中60℃乾燥12h後，得到聚苯胺-鉬酸鉍複合光催化劑即[email protected]異質結光催化劑。
實施例2
(1)溶劑熱法製備Bi2MoO6微球：將2mmol Bi(NO3)3·5H2O和1mmol Na2MoO4·2H2O分別溶於5mL的乙二醇中，在磁力攪拌下將兩者混合均勻，並緩慢加入20mL的無水乙醇，在室溫下以400r/min的轉速攪拌30min，倒入50mL的反應釜中，在160℃下反應12h，以4000r/min的速度離心3min，經過無水乙醇和去離子水數次洗滌、在鼓風乾燥箱中60℃乾燥12h，得到Bi2MoO6微球；
(2)配置Bi2MoO6-HCl分散溶液：將0.5g的Bi2MoO6在頻率為50kHz的條件下超聲30min分散於50mL的0.1mol/L的HCl溶液中，形成均勻的Bi2MoO6-HCl分散溶液；
(3)製備PANI@Bi2MoO6複合光催化劑：在冰水浴中，將5μL的苯胺加入到步驟(2)的Bi2MoO6-HCl分散溶液中，以400r/min的轉速攪拌30min，逐滴加入引發劑的水溶液(0.025g(NH4)2S2O8(APS)溶於10mL去離子水)，繼續攪拌12h後，產物經過無水乙醇和去離子水數次洗滌、在鼓風乾燥箱中60℃乾燥12h後，得到聚苯胺-鉬酸鉍複合光催化劑即PANI@Bi2MoO6-5異質結光催化劑。
實施例3
(1)溶劑熱法製備Bi2MoO6微球：將2mmol Bi(NO3)3·5H2O和1mmol Na2MoO4·2H2O分別溶於5mL的乙二醇中，在磁力攪拌下將兩者混合均勻，並緩慢加入20mL的無水乙醇，在室溫下以400r/min的轉速攪拌30min，倒入50mL的反應釜中，在160℃下反應12h；以4000r/min的速度離心3min，採用無水乙醇和去離子水洗滌、在鼓風乾燥箱中60℃乾燥12h，得到Bi2MoO6微球；
(2)配置Bi2MoO6-HCl分散溶液：將0.5g的Bi2MoO6在頻率為60kHz的條件下超聲30min分散於50mL的0.1mol/L的HCl溶液中，形成均勻的Bi2MoO6-HCl分散溶液；
(3)製備PANI@Bi2MoO6複合光催化劑：在冰水浴中，將7.5μL的苯胺加入到步驟(2)的Bi2MoO6-HCl分散溶液中，以400r/min的轉速攪拌30min，逐滴加入引發劑的水溶液(0.025g(NH4)2S2O8(APS)溶於10mL去離子水)，繼續攪拌12h後，產物經過無水乙醇和去離子水數次洗滌、在鼓風乾燥箱中60℃乾燥12h後，得到聚苯胺-鉬酸鉍複合光催化劑即[email protected]異質結光催化劑，其電鏡掃描圖如圖1所示。圖1為實施例3製備的聚苯胺-鉬酸鉍複合光催化劑即[email protected]異質結複合光催化劑的電鏡掃描圖。
實施例4
(1)溶劑熱法製備Bi2MoO6微球：將2mmol Bi(NO3)3·5H2O和1mmol Na2MoO4·2H2O分別溶於5mL的乙二醇中，在磁力攪拌下將兩者混合均勻，並緩慢加入20mL的無水乙醇，在室溫下以400r/min的轉速攪拌30min，倒入50mL的反應釜中，在160℃下反應12h，以4000r/min的速度離心3min、採用無水乙醇和去離子水數次洗滌、在鼓風乾燥箱中60℃乾燥12h，得到Bi2MoO6微球；
(2)配置Bi2MoO6-HCl分散溶液：將0.5g的Bi2MoO6在頻率為20kHz的條件下超聲30min分散於50mL的0.1mol/L的HCl溶液中，形成均勻的Bi2MoO6-HCl分散溶液；
(3)製備PANI@Bi2MoO6複合光催化劑：在冰水浴中，將10μL的苯胺加入到步驟(2)的Bi2MoO6-HCl分散溶液中，以400r/min的轉速攪拌30min，逐滴加入引發劑的水溶液(0.025g(NH4)2S2O8(APS)溶於10mL去離子水)，繼續攪拌12h後，產物經過無水乙醇和去離子水數次洗滌、在鼓風乾燥箱中60℃乾燥12h後，得到聚苯胺-鉬酸鉍複合光催化劑即PANI@Bi2MoO6-10異質結光催化劑。
實施例1-4得到的聚苯胺-鉬酸鉍複合光催化劑即PANI@Bi2MoO6異質結複合光催化劑用於可見光催化降解羅丹明B，測試具體方法和條件如下：
光催化活性測試在100mL石英反應器中進行。採用500W氛燈為輻射光源(設有濾光片λ≥420nm)，反應液為100mL 10mg/L羅丹明B水溶液，加入0.1g催化劑。在持續攪拌下，先在黑暗條件下反應30min，使其達到吸附平衡，然後在光照下反應90min。每隔15min抽取4mL反應液離心，取上清液在554nm處測定其吸光度。記錄並繪製曲線，結果如圖2所示。圖2為實施例1～4製備的聚苯胺-鉬酸鉍(PANI@Bi2MoO6)複合光催化劑及Bi2MoO6在可見光下對羅丹明B的降解曲線圖。由圖2可知，當PANI的添加量為10μL時，催化劑對羅丹明B的降解效果最佳。因此，相比單純Bi2MoO6，本發明製備的PANI@Bi2MoO6異質結光催化劑的催化活性顯著增強，將在可見光條件下降解有機染料汙染物方面具有很大的開發與應用前景。
上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其它的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。