钒酸铋纳米棒的制备方法与流程

本发明涉光催化降解有机污染物技术领域，具体涉及一种钒酸铋纳米棒的制备方法。

背景技术：

环境污染问题已成为全球问题，不但阻碍社会的快速发展而且威胁着人类健康。在各种环境污染中，化学污染影响最大。光催化技术在室温下可实现，而且利用太阳能，成本低廉，安全环保。半导体材料均具有光催化活性，光催化反应的机理也逐渐被人们认知。在众多半导体光催化剂材料中，二氧化钛最典型，它具有氧化性强，光诱导性好，亲水性好，稳定无毒等优点，在治理环境问题方面有很好的应用。然而，二氧化钛也有其局限性。光生电子-空穴对的复合几率较高，禁带宽度较大，这些不利特性严重阻碍了二氧化钛在光催化氧化领域的推广和应用。

单斜晶相钒酸铋的禁带宽度为2.3-2.4ev，它足够高的价带完全可以实现空穴对有机污染物的降解，并且导带位置也有利于光生电子的还原，具有较高的氧化能力，且其价带氧化电位位于2.4ev附近，从理论上将，能够实现在可见光下分解水和降解有机污染物的目标。钒酸铋的光催化性能与其自身晶体结构、晶粒尺寸以及颗粒形貌有很大的关系。由于常规的钒酸铋晶体粒径大，导致光生电子和空穴迁移到催化剂表面的传输距离长，容易在长距离迁移过程中发生复合，降低光催化效率。其次，常规钒酸铋晶体比表面积小，不能有效吸附污染物，也大大降低了光催化效率。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种钒酸铋纳米棒的制备方法，该方法制得的钒酸铋纳米棒尺寸小，比表面积大，催化活性强。

本发明提供的技术方案是一种钒酸铋纳米棒的制备方法，包括以下步骤：

1)将bi(no3)3·5h2o溶于1～4mol/l的硝酸溶液中，得到a溶液；

2)将与bi(no3)3·5h2o等摩尔量的nh4vo3溶于1～4mol/l的氨水溶液中，得到b溶液；

3)将a溶液缓慢加入到b溶液中，搅匀，调节ph至6.5～8，继续搅拌30～120min，得到混合液；

4)向混合液中加入乙二胺四乙酸钠，搅拌，调节ph至8～9，搅拌15～60min后，超声分散，得到前驱液；

5)将前驱液加入到高压反应釜中，在160～200℃的条件下进行水热反应，反应时间为3～10h，冷却，过滤，将沉淀物洗涤，离心，干燥，得到钒酸铋纳米棒。

步骤4)中，所述乙二胺四乙酸钠的加入量为bi(no3)3·5h2o重量的3～5倍。

步骤1)中，硝酸溶液的浓度为3～4mol/l。

步骤2)中，氨水溶液浓度为2～2.5mol/l。

步骤5)中，所述洗涤是将沉淀物用去离子水和/或乙醇洗涤。

步骤5)中，所述干燥是在40～100℃下干燥4～24h。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)在碱性条件下,oh^-中的o原子的孤对电子会与钒酸铋晶核{010}晶面作用，使得{010}晶面带负电荷，这些带负电荷的晶面通过静电吸附作用，吸附乙二胺四乙酸钠，而乙二胺四乙酸容易与bi³⁺形成配合物，从而引导bi³⁺与vo3^3-组装在{010}晶面，使得钒酸铋晶体具有{010}取向。最终制得的催化剂的形貌为棒状，该纳米棒直径为20～30nm，长径比为20～40，对可见光有很好的吸收。

2)钒酸铋催化剂具有{010}取向，光生电子会聚集在纳米棒的两端，不仅提高了空穴的分离效率，空穴更稳定的分部在纳米棒侧面，非常有利于有机物的降解。

3)钒酸铋具有{010}取向，而{010}晶面活性高，产生的光生电子氧化能力最强，因而具有{010}取向的钒酸铋纳米棒光催化活性最强。

4)本发明制得的钒酸铋催化剂晶体尺寸小，能够缩短光生电子和空穴迁移到催化剂表面的传输距离，提高光生电子空穴存活率。

附图说明

图1是实施例1所制备的钒酸铋纳米棒在透射电镜下的形貌图；

图2是实施例1所制备的钒酸铋纳米棒的高分辨率图；

图3是实施例1所制备的钒酸铋纳米棒的xrd谱图；

图4是实施例1所制备的钒酸铋纳米棒在可见光条件下降解罗丹明b的速率常数对比，参考为商业性的degussap25为光催化剂时的速率常数。

具体实施方式

以下具体实施例对本发明作进一步阐述，但不作为对本发明的限定。

实施例1

1)将bi(no3)3·5h2o溶于1mol/l的硝酸溶液中，得到a溶液；

2)将与bi(no3)3·5h2o等摩尔量的nh4vo3溶于1mol/l的氨水溶液中，得到b溶液；

3)将a溶液缓慢加入到b溶液中，搅匀，调节ph至6.5，继续搅拌30～120min，得到混合液；

4)向混合液中加入乙二胺四乙酸钠，乙二胺四乙酸钠的加入量为bi(no3)3·5h2o重量的3倍，搅拌，调节ph至8，搅拌15min后，超声分散，得到前驱液；

5)将前驱液加入到高压反应釜中，在160℃的条件下进行水热反应，反应时间为3h，冷却，过滤，将沉淀物用去离子水和/或乙醇洗涤洗涤3次，离心，在40℃下干燥4h，得到钒酸铋纳米棒。

由图1可知，钒酸铋纳米棒分散性良好，直径约为20nm,长径比为20～40。由图2可知，垂直于纳米棒生长方向的晶面的晶面间距与钒酸铋{040}晶面间距相吻合，证明该钒酸铋纳米棒是沿着{010}方向延伸的。由图3可知，钒酸铋纳米棒xrd图谱与单斜白钨矿相钒酸铋的标准谱图相比完全吻合，说明实施例1的纳米棒为单斜白钨矿结构。由图4可知，本实施例的纳米棒对罗丹明b的降解速率是p25的89倍，具有非常优越的光催化性能。

实施例2

1)将bi(no3)3·5h2o溶于4mol/l的硝酸溶液中，得到a溶液；

2)将与bi(no3)3·5h2o等摩尔量的nh4vo3溶于4mol/l的氨水溶液中，得到b溶液；

3)将a溶液缓慢加入到b溶液中，搅匀，调节ph至8，继续搅拌120min，得到混合液；

4)向混合液中加入乙二胺四乙酸钠，乙二胺四乙酸钠的加入量为bi(no3)3·5h2o重量的5倍，搅拌，调节ph至9，搅拌60min后，超声分散，得到前驱液；

5)将前驱液加入到高压反应釜中，在200℃的条件下进行水热反应，反应时间为10h，冷却，过滤，将沉淀物用去离子水和/或乙醇洗涤洗涤5次，离心，在100℃下干燥24h，得到钒酸铋纳米棒。

透射电镜结果表明钒酸铋纳米棒为纳米棒状，分散性良好，直径为30nm，长径比为20～40，并沿着{010}方向延伸。x射线衍射结果表明为单斜白钨矿相。

实施例3

1)将bi(no3)3·5h2o溶于3mol/l的硝酸溶液中，得到a溶液；

2)将与bi(no3)3·5h2o等摩尔量的nh4vo3溶于2mol/l的氨水溶液中，得到b溶液；

3)将a溶液缓慢加入到b溶液中，搅匀，调节ph至7.5，继续搅拌90min，得到混合液；

4)向混合液中加入乙二胺四乙酸钠，乙二胺四乙酸钠的加入量为bi(no3)3·5h2o重量的4倍，搅拌，调节ph至8.5，搅拌45min后，超声分散，得到前驱液；

5)将前驱液加入到高压反应釜中，在180℃的条件下进行水热反应，反应时间为6h，冷却，过滤，将沉淀物用去离子水和/或乙醇洗涤洗涤4次，离心，在80℃下干燥12h，得到钒酸铋纳米棒。

透射电镜结果表明钒酸铋纳米棒为纳米棒状，分散性良好，直径为25nm，长径比为20～40，并沿着{010}方向延伸。x射线衍射结果表明为单斜白钨矿相。

实施例4

1)将bi(no3)3·5h2o溶于4mol/l的硝酸溶液中，得到a溶液；

2)将与bi(no3)3·5h2o等摩尔量的nh4vo3溶于2.5mol/l的氨水溶液中，得到b溶液；

3)将a溶液缓慢加入到b溶液中，搅匀，调节ph至6.5，继续搅拌120min，得到混合液；

4)向混合液中加入乙二胺四乙酸钠，乙二胺四乙酸钠的加入量为bi(no3)3·5h2o重量的3倍，搅拌，调节ph至9，搅拌15min后，超声分散，得到前驱液；

5)将前驱液加入到高压反应釜中，在200℃的条件下进行水热反应，反应时间为3h，冷却，过滤，将沉淀物用去离子水和/或乙醇洗涤洗涤5次，离心，在40℃下干燥24h，得到钒酸铋纳米棒。

透射电镜结果表明钒酸铋纳米棒为纳米棒状，分散性良好，直径为25nm，长径比为20～40，并沿着{010}方向延伸。x射线衍射结果表明为单斜白钨矿相。