本发明涉及光催化技术领域，尤其涉及一种利用溶胶-凝胶法的光催化剂铁酸铋的简单制备方法。
背景技术：
随着能源紧缺和环境污染问题日益加剧，光催化技术在分解水制氢以及有机污染物降解等领域有着广阔的应用前景，是解决能源和环境问题的一种理想绿色技术，二氧化钛作为应用广泛的光催化剂具有催化效率高、稳定、无二次污染等优点，但其带隙较宽(～3.2eV)，只对占太阳光能量约为5％的紫外光有响应，太阳能利用率较低。基于此，人们对TiO2进行了大量改性研究，以提高其可见光催化活性，同时不断开发新的半导体光催化剂。最近，铁酸铋的光催化性能引起了人们的关注。它是一种常见的多铁性材料，一直是凝聚态物理和材料科学领域的研究热点，它具有较窄的带隙(～2.0eV)，适于吸收可见光，因此铁酸铋也是一种潜在的可见光催化材料。材料的物理性质与其形貌、维度、尺寸及缺陷等紧密相关，尤其是纳米尺度的光催化剂能够表现出增强的光催化活性。制备纳米材料的方法很多。采用固相反应法合成了铁酸铋，根据Bi2O3-Fe2O3相图，若高温混合的Bi2O3-Fe2O3随炉缓慢冷却，那么除了生成BiFeO3主相外，还会形成其它含Fe、Bi的杂相。若以Bi2O3、Fe2O3为铋源和铁源，则采用NaNO3和KNO3复合熔盐法快速合成铁酸铋粉体。熔盐温度为500℃时，Bi2O3和Fe2O3间开始反应生成Bi25FeO40相，熔盐温度升高到600℃时，开始生成少量铁酸铋熔盐；温度继续提高到650℃与700℃时，几乎都形成纯相铁酸铋，但仍有微量杂相Bi25FeO40和Bi2Fe4O9。
其中溶胶-凝胶法合成是目前制备纳米材料的最重要的方法之一。溶胶-凝胶法的特点是：用液体化学试剂或溶胶为原料，反应物在液相下均匀混合并发生反应，生成稳定的溶胶体，放置一定时间后转变为凝胶，其中含有大量液相，可借助蒸发除去液体介质。溶胶-凝胶法具有反应温度低，反应过程易于控制；制品的均匀度、纯度高(均匀性可达分子或原子水平)；化学计量准确，易于改性，掺杂的范围宽(包括掺杂的量和种类)等优点。但同时也存在一些弊端，其不稳定性导致不同的溶剂和制备流程得到的干凝胶所采用的处理手段也会各有不同，故针对这几个因素将进行一系列研究。
另外，热处理法一直是调控晶粒尺寸的重要手段，但随着退火温度的升高，晶粒通常难以同时均匀长大，而且因受材料合成温度的限制，无法通过降低退火温度的方法来获得尺寸更小的纳米颗粒。因此，本文采用改进的酒石酸-乙二醇溶胶凝胶法，通过调节加入的酒石酸-乙二醇用量，制备粒径可控的铁酸铋纳米颗粒，并在可见光辐照下测试光催化降解甲基橙的反应性能。
通过对溶胶-凝胶法制备铁酸铋材料的报道的调研可以初步得出以下结论：(1)铁酸铋最终合成温度一般都高于400℃，主要集中在500-650℃之间；(2)采用硝酸盐作为金属离子来源，而且通常情况下Bi会过量防止在焙烧过程中Bi的挥发，如果整配比的话，最终产物中往往出现杂质相；(3)最终产物中的杂质相通常采用稀硝酸清洗的办法清除。
因此，需要一种更简单低成本的方法来制备光催化剂铁酸铋。
技术实现要素：
为解决以上问题，本发明提出一种新型的光催化剂铁酸铋的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将硝酸铋和硝酸铁按照BiFeO3化学式的配比溶解在硝酸溶液中，并且加入作为络合剂的酒石酸和乙二醇并搅拌溶解；(2)将步骤(1)中的所述混合溶液加热至80℃，得到溶胶，并且将所述溶胶在120℃下干燥，得到干凝胶；(3)研磨步骤(2)中的所述干凝胶后进行煅烧，得到所述光催化剂铁酸铋。
有利地，步骤(1)中的硝酸铋和硝酸铁的摩尔比为1.3：1。
有利地，步骤(1)中的络合剂与金属阳离子的摩尔比为2.5：1。
有利地，步骤(1)中的酒石酸和乙二醇的摩尔比为1：18。
有利地，步骤(1)中的搅拌是利用磁力搅拌。
有利地，步骤(2)中的干燥所述溶胶包括将所述溶胶放置在恒温干燥箱中，在120℃下干燥24小时，得到干凝胶。
有利地，步骤(3)中的研磨并且煅烧所述干凝胶包括将所述干凝胶研磨成细粉，放入坩埚中置入管式炉中在450℃-600℃下煅烧3小时。
本发明所提供的光催化剂铁酸铋的制备方法具有反应温度低、反应过程易于控制，制品的均匀度、纯度高、化学计量准确、制备过程简单、制备成本低廉等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的光催化剂铁酸铋的制备方法的示意流程图。
具体实施例
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明的目的在于提供一种用于可见光下降解水及有机污染物的具有高效光催化活性、纳米尺度的铁酸铋光催化剂及其制备方法。本发明采用溶胶-凝胶法制备铁酸铋，由于铁酸铋具有较小的能带带隙，纳米结构的铁酸铋材料作为可见光催化剂，能够实现有机污染物的降解以及分解水制氢。溶胶-凝胶法具有反应温度低，反应过程易于控制，制品的均匀度、纯度高(均匀性可达分子或原子水平)，化学计量准确等优点，制备过程简单，易于回收利用，是一种环境友好的光催化剂，且成本低廉有着良好的工业化前景。
图1是本发明实施例提供的光催化剂铁酸铋的制备方法的示意流程图。如图1所示，本发明所提供的光催化剂铁酸铋的制备方法包括以下步骤：
步骤S102：将硝酸铋和硝酸铁按照BiFeO3化学式的配比溶解在硝酸溶液中。待溶液澄清后，依次加入作为络合剂的酒石酸和乙二醇并搅拌溶解。在一个实施例中，硝酸铋和硝酸铁的摩尔比为1.3：1。在一个实施例中，络合剂与金属阳离子的摩尔比为2.5：1。在一个实施例中，酒石酸和乙二醇的摩尔比为1：18。在一个实施例中，上述搅拌是利用磁力搅拌，以使添加物充分溶解。
步骤S104：待溶液混合均匀、澄清后，将步骤S102中的所述混合溶液加热至80℃，使之发生热聚合反应，数分钟后溶液缓慢转为溶胶，并且将所述溶胶在120℃下干燥，得到干凝胶。在一个实施例中，干燥所述溶胶包括：将所述溶胶放置在恒温干燥箱中，在120℃下干燥24小时，得到干凝胶。
步骤S106：研磨步骤S104中的所述干凝胶后进行煅烧，得到所述光催化剂铁酸铋。在一个实施例中，研磨并且煅烧所述干凝胶包括：将所述干凝胶研磨成细粉，放入坩埚中置入管式炉中在450℃-600℃下(例如，450℃、500℃、550℃、600℃)煅烧3小时。
对铁酸铋颗粒尺寸对甲基橙降解率的影响研究如下，其中甲基橙的初始浓度10mg/L，铁酸铋用量为2.5g/L，紫外光照射时间为6小时，可见光照射时间为14小时，铁酸铋纳米颗粒在紫外光和可见光辐照下均表现出了良好的光催化活性，且随着颗粒尺寸的减小其催化活性增加。当颗粒尺寸减小到52nm时，在紫外光和可见光下甲基橙降解率分别约为71％和39％。随着颗粒尺寸的减小，产生的光生电子-空穴对在体内复合的几率减小，电子-空穴对更能有效迁移到催化剂表面；而且颗粒尺寸越小，比表面积越大，从而为光催化反应提供更多可利用的表面活性位置。
有利地，本发明所提供的光催化剂铁酸铋的制备方法通过加入不同含量的酒石酸和乙二醇，采用控制烧结温度的方式制备了粒径可调控的铁酸铋纳米颗粒,颗粒尺寸分布均匀，颗粒形貌规整，近似呈球状。光催化实验证明：铁酸铋纳米颗粒在可见光辐照下对甲基橙都有良好的光催化降解作用。同时发现，颗粒尺寸对甲基橙的降解率具有较大影响。该结果为推动铁酸铋的光催化应用具有重要意义。
本发明所提供的光催化剂铁酸铋的制备方法通过改变酒石酸和乙二醇的相对含量并且调节烧结温度制备了不同颗粒尺寸的铁酸铋纳米粉体。酒石酸和乙二醇以一定的摩尔比(1:18)，在不同温度下(例如，450℃、500℃、550℃、600℃)煅烧3小时。所有样品均形成了高纯的铁酸铋相，无其它杂相出现。如果烧结温度过低，前驱体结晶度不够得不到铁酸铋晶体。如果烧结温度过高，前驱体碳化严重，大量杂相生成严重影响产物性能。
请注意，乙二醇作为聚合剂可以调节胶体的特性，尤其是胶体孔隙的尺寸。随着乙二醇含量的增加，胶体孔隙尺寸逐渐减小，这是调控煅烧产物平均晶粒尺寸的物理基础。但是，乙二醇含量不宜过多，否则会导致干凝胶变硬，煅烧产物出现杂相，而且晶粒也会变得不均匀。
与传统的凝胶法相比，本专利在前驱体溶液中添加了适量的酒石酸作为络合剂。在凝胶体干燥过程中，酒石酸因其碳化温度较低而率先发生碳化，形成碳质骨架，从而有效抑制了凝胶体的塌缩，为获得高质量铁酸铋纳米粉体提供了有力保证。
以上所揭露的仅为本发明实施例中的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。