一种BiVO4纳米带高效光催化剂及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一种光催化剂及其制备方法和应用，尤其涉及一种BiVO₄纳米带高效光催化剂及其制备方法和应用，属于光催化材料技术领域。

本发明中PVP指聚乙烯吡咯烷酮；Bi(NO₃)₃·5H₂O指五水合硝酸铋；VO(acac)₂指乙酰丙酮氧钒；DMF指N-N二甲基甲酰胺。

背景技术：

随着经济的不断发展，环境污染的日益加剧已经严重制约了人类经济和社会的可持续发展，如何解决环境污染问题成为了全球共同关注的热点问题之一。半导体光催化技术来降解有机物作为一个可行和理想的解决环境问题的策略，已经成为了研究热点。光催化技术是利用半导体光催化剂吸收太阳能降解有毒的污染物，具有反应条件温和、无二次污染和成本低廉等优点，成为了解决环境问题的一个重要技术手段。光催化技术的核心是光催化剂的研制，其中传统静电纺丝BiVO₄纳米纤维作为光催化剂中的一种，具有无毒、便宜和量产大等优点，受到了研究者们的青睐。然而，在实际应用中，有两个问题仍然制约着传统BiVO₄纳米纤维光催化剂的广泛应用：1)光催化反应中光生电子-空穴对易复合，光催化效率较低；2)传统的BiVO₄纳米纤维光催化剂存在比表面积偏低，导致在液相光催化体系下无法与污染物充分接触，无法保证稳定高效的光催化活性。

因此，如何提高BiVO₄光催化剂的光催化效率成为了研究热点。现有技术中，提高BiVO₄半导体光催化剂的光催化效率有以下三个途径：一是对单斜相BiVO₄纳米材料的结构进行优化和调控；二是对单斜相BiVO₄纳米材料进行掺杂；三是通过不同半导体材料与BiVO₄进行复合。其中，静电纺丝BiVO₄纳米带具有更长的长径比、更大的横截面积等优点而受到广大研究者的青睐。因此，如何制备BiVO₄纳米带光催化剂，将有望通过单斜相BiVO₄纳米材料的结构进行优化和调控获得最优异的BiVO₄纳米带光催化剂，从而有力推动光催化技术在污染物降解领域的应用。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提出了一种纳米带状结构的BiVO₄纳米带高效光催化剂的制备方法。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种BiVO₄纳米带高效光催化剂的制备方法，所述制备方法为：

将PVP、Bi(NO₃)₃·5H₂O、VO(acac)₂和DMF配制成前驱体纺丝液；

将配制好的前驱体纺丝液经静电纺丝得到有机前驱体纤维；

将得到的有机前驱体纤维烘干得到固态前驱体纤维；

将固态前驱体纤维经高温热解得到BiVO₄纳米带光催化剂。

本发明通过调控前驱体纺丝液的组成成分和配比，从而通过静电纺丝制备得到BiVO₄纳米带光催化剂。

在上述的一种BiVO₄纳米带高效光催化剂的制备方法中，所述PVP、Bi(NO₃)₃·5H₂O、VO(acac)₂和DMF的质量比为(2-3)：(1.5-2)：1：(3-4)。

在上述的一种BiVO₄纳米带高效光催化剂的制备方法中，所述PVP包括PVP_k12、PVP_k15、PVP_k17、PVP_k25、PVP_k30、PVP_k45、PVP_k60、PVP_k70、PVP_k80、PVP_k85、PVP_k90、PVP_k90、PVP_k100、PVP_k110、PVP_k120、PVP_k150中的至少一种。

在上述的一种BiVO₄纳米带高效光催化剂的制备方法中，所述PVP包括PVP_k90和PVP_k30，PVP_k90和PVP_k30的质量比为1：(2-5)。本发明进一步优选为PVP_k90和PVP_k30，其中，PVP_k90的Mw约为1300000，PVP_k30的Mw约为40000。传统静电纺丝方法中，通常使用PVP_K90作为溶液的粘结剂，而本发明为了制备得到纳米带状结构的BiVO₄纳米带光催化剂，引入了分子质量不同的PVP，如PVP_K30。因为，在前驱体溶液中添加不同分子质量的PVP，如分别添加PVP_K90和PVP_K30，由于分子质量不一样，粘结度不相同等会导致其在纺丝纤维径向分布不相同，其中PVP_K30分布在纤维内部和PVP_K90分布在纤维外部，在静电纺丝的过程中，伴随着溶液的挥发，由于PVP_K30所占体积较大，会导致纤维的坍塌，从而形成纳米带。

作为优选，所述前驱体纺丝液配置为将PVP、Bi(NO₃)₃·5H₂O、VO(acac)₂和DMF溶于无水乙醇和冰醋酸中，常温搅拌得到前驱体纺丝液即可。

作为优选，VO(acac)₂和无水乙醇的质量比为1：(3-4)。

作为优选，VO(acac)₂和冰醋酸的质量比为1：(2.5-3.5)。

在上述的一种BiVO₄纳米带高效光催化剂的制备方法中，所述高温热解的温度为400-600℃，保温时间为0.5-2h。

本发明的第二个目的在于提供一种上述BiVO₄纳米带高效光催化剂的制备方法制备得到的BiVO₄纳米带高效光催化剂。

在上述的BiVO₄纳米带高效光催化剂中，所述的BiVO₄纳米带高效光催化剂为纳米带状结构。

本发明通过对单斜相BiVO₄纳米材料的结构进行优化和调控，制备得到的BiVO₄纳米带高效光催化剂为纳米带状结构，具有更长的长径比、更大的横截面积等优点，从而有力推动光催化技术在污染物降解领域的应用。

本发明的第三个目的在于提供上述BiVO₄纳米带高效光催化剂的应用，所述BiVO₄纳米带高效光催化剂用于光降解。

与现有技术相比，本发明具有以下几个优点：

1.本发明通过调控前驱体纺丝液的组成成分和配比，从而实现了BiVO₄纳米带高效光催化剂的制备。

2.本发明的BiVO₄纳米带高效光催化剂为纳米带状结构，具有更长的长径比、更大的横截面积等优点。

3.本发明通过对单斜相BiVO₄纳米材料的结构进行优化和调控，使BiVO₄纳米带高效光催化剂具有高效且稳定的光催化活性，从而有力推动光催化技术在污染物降解领域的应用。

附图说明

图1为本发明实施例1所制得的BiVO₄纳米带前驱体的低倍扫描电镜(SEM)图；

图2为本发明实施例1所制得的BiVO₄纳米带前驱体的高倍扫描电镜(SEM)图；

图3为本发明实施例1所制得的BiVO₄纳米带的低倍扫描电镜(SEM)图；

图4为本发明实施例1所制得的BiVO₄纳米带的高倍扫描电镜(SEM)图；

图5为本发明实施例1所制得的BiVO₄纳米带的截面扫描电镜(SEM)图；

图6为本发明实施例1所制得的BiVO₄纳米带的X射线衍射谱图；

图7为本发明实施例1所制得的BiVO₄纳米带的Raman图；

图8为本发明本发明应用实施例1的BiVO₄纳米带高效光催化剂与应用对比例1的市售普通的BiVO₄纳米纤维光催化活性对比图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，并结合附图说明对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1：

称取PVP_K90 0.4g、PVP_K30 1.2g、Bi(NO₃)₃·5H₂O 1.21g和VO(acac)₂ 0.662g溶解于2.5g无水乙醇、2.5g DMF和2g冰醋酸的混合液中，室温下搅拌混合6小时后得到深绿色的前驱体纺丝液。静置后量取6ml注入塑料针管内，并置于微量注射泵上，设置推注速度为0.2mm/min。金属针头作电纺丝阳极，铁丝网作接收材料的阴极，阳极与阴极之间的距离为20cm，在12kV高压下进行静电纺丝，制备有机前驱体纤维。然后将有机前驱体纤维置于80℃恒温烘干箱内，获得固态前驱体纤维。最后将固体前驱体纤维置于石英舟中，在空气气氛下于500℃保温1小时进行热解处理，然后随炉冷却，获得BiVO₄纳米带。

图1和图2为实施例1所制备的BiVO₄纳米带的前驱体纤维在不同放大倍数下的典型扫描电镜(SEM)图，从图1和图2可知，本发明实施例1所制备的材料为高纯度纳米带。

图3和图4为实施例1所制备的BiVO₄纳米带在不同放大倍数下的典型扫描电镜(SEM)，图5为实施例1所制备的BiVO₄纳米带的截面扫描电镜图(SEM)，从图3、图4和图5可知，本发明实施例1所制备的材料为纳米带状结构。图6为其相应的XRD图，图7为其拉曼(Raman)图，从图6和图7可知，本发明实施例1所制备的BiVO₄纳米带为单斜BiVO₄纳米带。

将本发明制备得到的BiVO₄纳米带光催化剂应用于光降解，并进行光催化性能检测。

应用实施例1：

将实施例1制备得到的BiVO₄纳米带高效光催化剂用于罗丹明B(RhB)的光降解。具体为：称取0.04g实施例1制备得到的BiVO₄纳米带光催化剂加入到100ml初始浓度为10mg/L的RhB的水溶液中，采用300W氙灯模拟太阳光光源。在进行光照前，在黑暗中搅拌60min，使有机染料与光催化剂表面均匀扩散，从而最终达到吸附-脱附平衡。在反应过程中，不断搅拌溶液，使反应容器与空气相通，并且在反应中间间隔固定时间(20min)取样，经离心分离后，取5ml澄清溶液与紫外-可见分光光度计上测试RhB溶液在最大吸收波长的吸光度，并计算RhB溶液浓度随着光照时间的变化情况。

应用对比例1：

应用对比例1使用的光催化剂为市售普通的BiVO₄纳米纤维光催化剂在同等条件下的罗丹明B(RhB)的光降解。

图8为本发明应用实施例1计算的降解速率和应用对比例1计算的降解速率对比图。从图8可知，本发明制备的BiVO₄纳米带光催化剂具有更为高效的光降解效率，相比市售普通的BiVO₄纳米纤维光催化剂，其降解效率可提高1.7倍以上，说明本发明制备的光催化剂具有高效的光催化活性。

在上述实施例及其替换方案中，PVP和VO(acac)₂的质量比还包括但不限于2：1、2.1：1、2.2：1、2.3：1、2.4：1、2.5：1、2.6：1、2.7：1、2.8：1、2.9：1、3：1。

在上述实施例及其替换方案中，Bi(NO₃)₃·5H₂O与VO(acac)₂的质量比还包括但不限于1.5：1、1.6：1、1.7：1、1.8：1、1.9：1、2：1。

在上述实施例及其替换方案中，VO(acac)₂和DMF的质量比还包括但不限于1：3、1：3.1、1：3.2、1：3.3、1：3.4、1：3.5、1：3.6、1：3.7、1：3.8、1：3.9、1：4。

在上述实施例及其替换方案中，PVP还包括PVP_k12、PVP_k15、PVP_k17、PVP_k25、PVP_k30、PVP_k45、PVP_k60、PVP_k70、PVP_k80、PVP_k85、PVP_k90、PVP_k90、PVP_k100、PVP_k110、PVP_k120、PVP_k150中的一种，还包括但不限于PVP_k12、PVP_k15、PVP_k17、PVP_k25、PVP_k30、PVP_k45、PVP_k60、PVP_k70、PVP_k80、PVP_k85、PVP_k90、PVP_k90、PVP_k100、PVP_k110、PVP_k120、PVP_k150中的任意几种的混合。

在上述实施例及其替换方案中，PVP_k90和PVP_k30的质量比还包括但不限于1：2、1：4、1：5。

在上述实施例及其替换方案中，VO(acac)₂和无水乙醇质量比还包括但不限于1：3、1：3.1、1：3.2、1：3.3、1：3.4、1：3.5、1：3.6、1：3.7、1：3.8、1：3.9、1：4。

在上述实施例及其替换方案中，VO(acac)₂和冰醋酸的质量比还包括但不限于1：2.5、1：2.6、1：2.7、1：2.8、1：2.9、1：3、1：3.1、1：3.2、1：3.3、1：3.4、1：3.5。

在上述实施例及其替换方案中，所述高温热解的温度好包括但不限于400℃、410℃、420℃、430℃、440℃、450℃、460℃、470℃、480℃、490℃、510℃、520℃、530℃、540℃、550℃、560℃、570℃、580℃、590℃、600℃；保温时间还包括但不限于0.5h、1.5h、2h。

鉴于本发明方案实施例众多，各实施例实验数据庞大众多，不适合于此处逐一列举说明，但是各实施例所需要验证的内容和得到的最终结论均接近，故而此处不对各个实施例的验证内容进行逐一说明，仅以实施例1作为代表说明本发明申请优异之处。

本处实施例对本发明要求保护的技术范围中点值未穷尽之处，同样都在本发明要求保护的范围内。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。