一种钒酸铁光催化剂的制备方法与流程

本发明属于无机光催化材料技术领域，具体来说是一种钒酸铁光催化剂的制备方法。

背景技术：

近些年，一类具有ABO₄的白钨矿/黑钨矿型结构的新型可见光光响应的钒酸盐材料被广泛应用于光催化领域。钒酸盐因其与众不同的分子结构和化学物理特性而在发光、压电和铁电领域有着广泛的应用前景而被认为是提高光催化应用的一大途径。

FeVO₄作为钒酸盐光催化剂材料家族中的新兴成员，研究者对于其光催化性能的相关研究还处于起始阶段。自FeVO₄被Idota首先报道可作为一种有前途的锂离子充电电池的电极材料以来，研究者发现其作为锂离子充电电池的电极材料，比石墨电极具有更高的比容量，因而吸引了科研者的极大关注。近年来，又发现FeVO₄具有氧化碳氢化合物的催化能力。作为一种典型的n型半导体，FeVO₄为黄色的固体粉末。具有四种晶型结构：三斜型、正交Ⅰ型、正交Ⅱ型和单斜型，其中仅三斜型在常压下可以制得。三斜型的FeVO₄具有特殊的链结构。

三价铁离子占据三种独立的结点位置，其中两个在扭曲的FeO₆八面体中，一个在扭曲的FeO₅三角双锥中。Fe-O多面体通过共棱形成了一个独特的六倍体积的双弯曲链，与VO4四面体相结合，形成了FeVO₄三维层状网络结构。这种层状的结构具有一定的层隙空间，可以作为光反应的活化区域，有利于光催化反应的进行。结构中的夹层有可能成为与光生电子结合的受体，从而有效地减少了电子和空穴的复合，最终提高反应的光量子效率。

主要制备方法有高温固相反应法、传统水热法和液相法。高温固相法方法简单，但需高温反应能耗大；反应均匀程度差，生成的样品粗大、易有杂质。热法是制备粉体材料的一种传统方法，但高温高压的反应条件较为苛刻且具有反应时间长等缺点。液相回流方法简单，但反应时间过长，且反应步骤较多，需要严格控制反应条件，否则易有杂质相生成。基于上述研究可知，开发一种环境友好的快速合成三斜型FeVO₄光催化材料的工艺是十分必要的。

公开号为“CN 104357875A”，名称为“一种利用阳离子膜电解法制备钼酸铁的方法”的中国专利公开一种利用阳离子膜电解法制备钼酸铁的方法，即以铁片为阳极，以惰性电极为阴极，以含有去极化剂和钼酸钠的水溶液为阳极液，以酸溶液、碱溶液或盐溶液为阴极液；在以阳离子膜为隔膜的双室电解槽中，采用恒流电解或恒压电解的方式控制温度为室温至90℃进行电解含有去极化剂和钼酸钠的水溶液，直至Na⁺离子全部转移到阴极室；将在阳极室得到的产物用去离子水边清洗边过滤，得到的滤饼控制温度为100-200℃干燥1-2h，即得纯度高、无杂相的钼酸铁。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的钒酸铁制备过程中反应时间长，添加剂多和操作复杂、产物杂质多，不易分离提纯等技术问题，本发明的目的在于提供一种反应时间短的钒酸铁光催化剂的制备方法，该方法易分离，形貌可控，操作简单，易于工业化生产。

本发明的技术方案具体介绍如下。

本发明提供一种钒酸铁光催化剂的制备方法，具体步骤如下：

(1)以纯铁片为阳极，以惰性电极为阴极，以偏钒酸钠和氯化钠水溶液为阳极液，以盐酸溶液或氯化钠溶液为阴极液，在阳离子膜为隔膜的双室电解槽中，采用恒流电解的方式，通过控制电流密度、电解液浓度和温度制备出不同结构和粒径大小的钒酸铁前驱体；

(2)电解结束后，收集阳极上得到的产物，清洗、过滤、干燥，自然冷却至室温，再在空气氛围下热处理，即得纯度高、洁净度高的钒酸铁光催化剂。

本发明中，步骤(1)中，偏钒酸钠浓度为0.1mol/L-0.3mol/L，氯化钠浓度为1-1.5mol/L。

本发明中，步骤(1)中，所述阴极液的浓度为0.1mol/L-0.3mol/L。

本发明中，步骤(1)中，利用恒温水浴控制电解的温度为20-70℃。

本发明中，步骤(1)中，控制阳极电流密度为10-50mA/cm²。

本发明中，步骤(2)中，干燥温度为80-100℃，干燥时间为4-6h。

本发明中，步骤(2)中，热处理程序如下：空气氛围下以2.5-10℃/min的升温速率升温至500-700℃，高温焙烧3-5h。

本发明中，上述制备方法得到的钒酸铁的形貌结构为微纳米球状颗粒和微纳米线结构。

和现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的一种钒酸铁光催化剂的制备方法，其采用阳离子膜电解法制备，通过控制电流密度、电解液浓度和温度制备出不同结构和粒径大小的钒酸铁(电流密度增加，电解液浓度提高时，产物的结构从微纳米球状颗粒向微纳米线结构转变)。制备过程简单且易于操作，阳极电解液成分单一、无其他添加剂，产物无杂相，易于工业化生产；，另一方面，产物为微纳米级别的固体粉末，静置即可沉淀下来，易于水洗与分离。因此本发明的制备方法具有最终所得的钒酸铁产物纯度高，无杂相的特点，将产物进行高温煅烧后可得钒酸铁，可用作光催化剂降解有机污染物。

进一步，本发明的一种钒酸铁光催化剂的制备方法，由于仅需一步电解即可制备出钒酸铁，因此其制备过程工艺简单，容易操作，投资小，合成量大，可直接应用于工业化生产。

附图说明

图1、实施例1中得到的钒酸铁的SEM图。

图2、实施例2中得到的钒酸铁的SEM图。

图3、实施例3中得到的钒酸铁的SEM图。

图4、实施例中所得到的钒酸铁的XRD图。

图5、钒酸铁对苯酚(25mg/L/l)的紫外光催化降解曲线。

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。

实施例1

一种光催化剂钒酸铁的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)、以纯铁片为阳极，以玻碳电极为阴极，以0.1mol/L偏钒酸钠和1mol/L氯化钠的水溶液、为阳极液，以0.1mol/L盐酸溶液为阴极液，在阳离子膜为隔膜的双室电解槽中，控制在温度为70℃的条件下进行恒流电解，电流密度为10mA/cm²；

(2)、电解完后，将在阳极上得到的产物用去离子水边清洗边过滤，并且将过滤后的滤饼控制温度为80℃干燥4h，干燥完毕后自然冷却至室温，干燥完毕后在空气氛围下以2.5℃/min的升温速率升温至500℃进行高温焙烧1-5h，焙烧完后自然冷却至室温，即得纯净的钒酸铁。

采用日立S-3400N型扫描电子显微镜对上述所得的钒酸铁进行形貌表征，其SEM图如图1所示，从图1中可以看出，所制备的产物形貌为球形颗粒结构，粒径大小为200nm。

实施例2

一种钒酸铁光催化剂的制备方法，具体步骤如下：

(1)、以纯铁片为阳极，以玻碳电极为阴极，以0.2mol/L偏钒酸钠和1mol/L氯化钠的水溶液为阳极液，以0.2mol/L氯化钠溶液为阴极液，在阳离子膜为隔膜的双室电解槽中，控制在温度为50℃的条件下进行恒流电解，电流密度为30mA/cm²；

(2)、电解完后，将在阳极上得到的产物用去离子水边清洗边过滤，并且将过滤后的滤饼控制温度为80℃干燥4h，干燥完毕后自然冷却至室温，干燥完毕后在空气氛围下以5℃/min的升温速率升温至600℃进行高温焙烧3h，焙烧完后自然冷却至室温，即得纯净的钒酸铁。

采用日立S-3400N型扫描电子显微镜对上述所得的钒酸铁进行形貌表征，其SEM图如图2所示，从图2中可以看出，所制备的产物形貌均直径约为500nm微纳米线结构。

实施例3

一种光催化剂钒酸铁的制备方法，具体步骤如下：

(1)、以纯铁片为阳极，以玻碳电极为阴极，以0.3mol/L偏钒酸钠和1mol/L氯化钠的水溶液为阳极液，以0.3mol/L盐酸溶液为阴极液，在阳离子膜为隔膜的双室电解槽中，控制在温度为20℃的条件下进行恒流电解，电流密度为50mA/cm²；

(2)、电解完后，将在阳极上得到的产物用去离子水边清洗边过滤，并且将过滤后的滤饼控制温度为80℃干燥4h，干燥完毕后自然冷却至室温，干燥完毕后在空气氛围下以5℃/min的升温速率升温至700℃进行高温焙烧2h，焙烧完后自然冷却至室温，即得纯净的钒酸铁。

采用日立S-3400N型扫描电子显微镜对上述所得的钒酸铁进行形貌表征，其SEM图如图3所示，从图3中可以看出，所制备的产物同时存在微纳米球状颗粒和微纳米棒状结构。经X射线衍射表征为FeVO₄。

图5是实施例得到的钒酸铁对苯酚(25mg/L/l)的紫外光催化降解曲线，结果显示，钒酸铁有很好的光催化性能。

采用德国布鲁克AXS公司的D8Advance型X-射线衍射仪对上述所得的钒酸铁进行测定，其XRD图如图4所示，从图4中可以看出，得到的产物为FeVO₄，对应的标准PDF卡片为38-1732。

综上所述，从综上所述，本发明的一种钒酸铁光催化剂的制备方法，通过控制电解液浓度、温度和电流密度；可以得到不同结构和粒径大小的钒酸铁，易于控制且可应用于降解苯酚。