一种优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋的制备方法与流程

本发明涉及单斜相钒酸铋的制备方法，具体的说是一种优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋的制备方法。

背景技术：

半导体光催化技术在解决能源短缺和治理环境污染等领域具有极大的应用前景，受到人们极大的关注。开发高效、稳定、绿色环保的半导体光催化材料是推动该技术发展的关键所在。作为一种非氧化钛型的光催化材料，钒酸铋(bivo4)由于能够响应可见光以及具有稳定性高、廉价易得、无毒害、带隙窄、氧化还原电位位置适宜和光催化活性高而受到人们的青睐。在它存在的三种物相中，单斜白钨矿相(单斜相)bivo4比四方硅酸锆相bivo4和四方白钨矿相bivo4具有更高的光催化性能，目前已成为继氧化钛之后研究最为活跃的半导体光催化材料之一。目前，研究单斜相bivo4的焦点是促进其光生电子空穴对的有效分离，这也是提高半导体光催化材料光催化性能的核心所在。

通常用于异相催化的单斜相bivo4，其光催化性能主要取决于其表面性质。对于单斜相bivo4而言，其反应活性晶面为(010)晶面[注：钒酸铋的(010)晶面与钒酸铋的(040)晶面为平行晶面，钒酸铋的(010)晶面对应于xrd谱图中的(040)衍射峰]和(110)晶面，这是由于二者可以分别聚集光生电子和空穴。其中，(040)晶面通常具有较高的表面能，往往在晶体生长中易于逐渐消失，导致其暴露比例低，但是，在单斜相bivo4制备过程中引入诸如十二烷基苯磺酸钠、三氯化钛、碳酸铵、油酸钠、乙二醇和丙三醇等结构导向剂能够实现对(040)晶面的保护，促进了(040)晶面优先生长并高度暴露。(040)晶面暴露程度的增大显著提高了单斜相bivo4的光催化性能，但是，与优先暴露(040)晶面的单斜相bivo4相比，高度暴露(040)晶面的单斜相bivo4有时却展现出更高的光催化性能，造成这种结果的原因主要归因于诸如叶形和四叶草形等二维片状单斜相bivo4的特殊微观形貌使光生电子和空穴的迁移路径变短而有利于光生电子和空穴的有效分离，但是在获得这些特殊微观形貌的同时造成了(040)晶面没有优先暴露，这又制约了光生电子空穴对的分离。因此，改善微观形貌来缩短光生电子和空穴迁移至表面的路径，同时并使(040)晶面优先暴露，以此优化单斜相bivo4的微观结构来提高其光催化性能成为亟待解决的问题，为此，开发更为有效的方法来制备优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋对提高其光催化活性具有重要意义。

技术实现要素：

本发明是要解决现有方法制备的单斜相钒酸铋难以实现兼具(040)晶面优先暴露和手里剑形的特殊微观形貌，导致单斜相钒酸铋的光催化性能差的问题，提供一种优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用的以下技术方案予以实现，该方法包括以下步骤：

①、按摩尔百分比分别称取45%～55%的五水合硝酸铋和45%～55%的十二水合原钒酸钠；

②、称取乙二胺四乙酸二钠，所称取的乙二胺四乙酸二钠与步骤①中称取的五水合硝酸铋的摩尔比为(0.5～1.05):1；

③、采用分析纯丙三醇和去离子水配制体积分数为20%～45%的丙三醇水溶液，记为溶液a；

④、将步骤①中称取的五水合硝酸铋溶解于步骤③得到的溶液a中配制浓度为0.02mol/l～0.05mol/l的硝酸铋溶液，记为溶液b；

⑤、在搅拌条件下将步骤②中称取的乙二胺四乙酸二钠加入到步骤④得到的溶液b中得到白色悬浊液，记为悬浊液c；

⑥、将步骤①中称取的十二水合原钒酸钠溶解于去离子水中配制浓度为0.02mol/l～0.05mol/l的钒酸钠溶液，记为溶液d；

⑦、在搅拌条件下将步骤⑥得到的溶液d滴入到步骤⑤得到的悬浊液c中，并混合均匀，再用硝酸溶液调ph值为3.9～6.9，搅拌20min～60min，得到前驱体溶液，记为前驱体溶液e；

⑧、将步骤⑦中得到的前驱体溶液e装入到水热反应釜中，控制装入量为水热反应釜体积的70%～85%，盖上釜盖，然后将水热反应釜放在温度为140℃～220℃的烘箱中水热反应0.5h～24h，然后自然冷却至室温，过滤，得到沉淀物；

⑨、将步骤⑧中得到的沉淀物先用蒸馏水洗涤，再用无水乙醇洗涤后，在温度为85℃～120℃的烘箱中烘6h，得到烘干物，然后将烘干物研磨，即得到优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋。

注释：

1、在高度暴露(040)晶面的单斜相钒酸铋中，样品的xrd谱图中衍射峰的位置与xrd数据库中标准卡片号14-0688的xrd谱图中衍射峰的位置相匹配，没有其它杂质的衍射峰，这表明样品为单斜相钒酸铋；(040)对应于xrd数据库中标准卡片号14-0688的xrd谱图中的(040)衍射峰；(040)晶面是(010)晶面的平行面，都归属于{010}晶面；高度暴露(040)晶面为样品的xrd谱图中(040)衍射峰与衍射峰的峰强之比的比值高于0.25并小于1，同时，(010)晶面为样品的暴露晶面，暴露的(010)晶面可通过样品的选区电子衍射花样(saed)和高分辨透射电镜(hrtem)图来确定，具体确定方式为(1)在电子衍射花样中，距离成像中心为2.56å的成像点与成像中心组成的线段和距离成像中心为2.59å的成像点与成像中心组成的线段之间的夹角为90度，(2)在高分辨透射电镜图像中，样品的暴露晶面上存在两组相互垂直的晶面，它们的晶面间距分别为2.56å和2.59å，这样就可以确定相互垂直的晶面分别是(002)晶面和(200)晶面，满足上述两个条件就可以确定暴露晶面为(010)晶面，也能够表示为暴露的晶面为(040)晶面，由此，样品的xrd谱图中(040)衍射峰与衍射峰的峰强之比的比值高于0.25并小于1以及暴露的晶面为(010)晶面，满足上述条件表明样品为高度暴露(040)晶面的单斜相钒酸铋。

2、在优先暴露(040)晶面的单斜相钒酸铋中，样品的xrd谱图中衍射峰的位置与xrd数据库中标准卡片号14-0688的xrd谱图中衍射峰的位置相匹配，没有其它杂质的衍射峰，这表明样品为单斜相钒酸铋；(040)对应于xrd数据库中标准卡片号14-0688的xrd谱图中的(040)衍射峰；(040)晶面是(010)晶面的平行面，都归属于{010}晶面；(040)择优取向指在标准卡片号14-0688的xrd谱图中的(040)衍射峰为最强峰；优先暴露(040)晶面为样品的xrd谱图中(040)衍射峰与衍射峰的峰强之比的比值高于1，同时，(010)晶面为样品的暴露晶面，暴露的(010)晶面可通过样品的选区电子衍射花样和高分辨透射电镜图像来确定，具体确定方式为(1)在电子衍射花样中，距离成像中心为2.56å的成像点与成像中心组成的线段和距离成像中心为2.59å的成像点与成像中心组成的线段之间的夹角为90度，(2)在高分辨透射电镜图像中，样品的暴露晶面上存在两组相互垂直的晶面，它们的晶面间距分别为2.56å和2.59å，这样就可以确定相互垂直的晶面分别是(002)晶面和(200)晶面，满足上述两个条件就可以确定暴露晶面为(010)晶面，也能够表示为暴露的晶面为(040)晶面，由此，样品的xrd谱图中(040)衍射峰与衍射峰的峰强之比的比值高于1和暴露的晶面为(010)晶面，满足上述条件表明样品为优先暴露(040)晶面的单斜相钒酸铋。

本发明具有以下优点和积极效果：

1、本发明所采用的五水合硝酸铋、十二水合原钒酸钠、丙三醇和乙二胺四乙酸二钠均为廉价易得的工业原料，所采用的反应条件为弱酸性，水热反应体系的ph值为3.9～6.9，所采用的乙二胺四乙酸二钠不仅促进了钒酸铋沿(040)晶面优先取向生长的程度而达到择优取向生长，而且能够实现钒酸铋的微观形貌从二维片状十面体形转变为二维片状手里剑形，得到优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋，相比于现有技术，本发明制备的样品为单斜相钒酸铋，呈现(040)择优取向并且优先暴露(040)晶面以及具有手里剑形的特殊微观形貌、有利于提高光催化活性。本发明优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋的制备方法反应条件温和、重现性好、工艺简单、成本低、所得到的催化剂性能优异，适于工业化生产。

2、利用本方法合成单斜相钒酸铋，反应溶液中乙二胺四乙酸二钠和丙三醇的存在能够分别与铋源离子(bi³⁺和bio⁺)形成稳定的络合物，通过乙二胺四乙酸二钠和丙三醇的加入量能够控制自由铋源离子的浓度。另外，反应溶液中乙二胺四乙酸二钠和丙三醇的存在能够分别与钒源离子(vo3^-和vo2⁺等)形成络合物，通过乙二胺四乙酸二钠和丙三醇的加入量能够控制自由钒源离子的浓度。因此，随着乙二胺四乙酸二钠和丙三醇的加入量的变化能够控制用于形成钒酸铋沉淀物的铋源离子和钒源离子的浓度，从而影响反应离子(bi³⁺、bio⁺和vo3^-等)的过饱和度，进而影响钒酸铋晶体的生长速度。随着乙二胺四乙酸二钠和丙三醇的加入量的增多，导致生成的钒酸铋晶粒的浓度下降而易于使其由动力学控制的四方硅酸锆相向单斜相转变。丙三醇分子能够吸附到钒酸铋的(040)晶面而使其受到保护，在晶体生长过程中不易消失而使(040)晶面优先生长并暴露出来，并且当丙三醇的用量固定条件下，乙二胺四乙酸二钠的加入量的增多会导致可用于保护(040)晶面的丙三醇分子增多，从而导致钒酸铋能够沿着(040)晶面择优取向生长并使(040)晶面优先暴露。另外，乙二胺四乙酸二钠中的阴离子也会吸附到bivo4晶体的表面而导致其各向异性生长，这也有利于钒酸铋沿着(040)晶面择优取向生长的程度以及(040)晶面优先暴露的程度。吸附到bivo4晶体(040)晶面上的丙三醇分子之间的氢键作用力以及吸附到bivo4晶体表面上的乙二胺四乙酸二钠中的阴离子之间存在的诸如空间阻力和库仑作用力等作用力共同主导了bivo4的微观形貌，最终形成优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋。

3、本发明得到优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋可作为催化剂。

附图说明

图1是具体实施方式十五得到的优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋的xrd图；

图2是具体实施方式十五得到的优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋的sem图；

图3是具体实施方式十五得到的优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋的tem图；图3a是具体实施方式十五得到的优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋的低倍tem图；图3a中的插图是具体实施方式十五得到的优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋的高倍tem图；图3b是具体实施方式十五得到的优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋的hrtem图；图3b中的插图是具体实施方式十五得到的优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋的选区电子衍射花样图；

图4是具体实施方式十五得到的优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋光催化降解亚甲基蓝水溶液的降解率-时间关系曲线图；图中，a是具体实施方式十五得到的优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋光催化降解亚甲基蓝水溶液的降解率-时间关系曲线；b是未加入乙二胺四乙酸二钠制得的钒酸铋光催化降解亚甲基蓝水溶液的降解率-时间关系曲线。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式一种优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋的制备方法步骤如下：

①、按摩尔百分比分别称取45%～55%的五水合硝酸铋和45%～55%的十二水合原钒酸钠；

②、称取乙二胺四乙酸二钠，所称取的乙二胺四乙酸二钠与步骤①中称取的五水合硝酸铋的摩尔比为(0.5～1.05):1；

③、采用分析纯丙三醇和去离子水配制体积分数为20%～45%的丙三醇水溶液，记为溶液a；

④、将步骤①中称取的五水合硝酸铋溶解于步骤③得到的溶液a中配制浓度为0.02mol/l～0.05mol/l的硝酸铋溶液，记为溶液b；

⑤、在搅拌条件下将步骤②中称取的乙二胺四乙酸二钠加入到步骤④得到的溶液b中得到白色悬浊液，记为悬浊液c；

⑥、将步骤①中称取的十二水合原钒酸钠溶解于去离子水中配制浓度为0.02mol/l～0.05mol/l的钒酸钠溶液，记为溶液d；

⑦、在搅拌条件下将步骤⑥得到的溶液d滴入到步骤⑤得到的悬浊液c中，并混合均匀，再用硝酸溶液调ph值为3.9～6.9，搅拌20min～60min，得到前驱体溶液，记为前驱体溶液e；

⑧、将步骤⑦中得到的前驱体溶液e装入到水热反应釜中，控制装入量为水热反应釜体积的70%～85%，盖上釜盖，然后将水热反应釜放在温度为140℃～220℃的烘箱中水热反应0.5h～24h，然后自然冷却至室温，过滤，得到沉淀物；

⑨、将步骤⑧中得到的沉淀物先用蒸馏水洗涤，再用无水乙醇洗涤后，在温度为85℃～120℃的烘箱中烘6h，得到烘干物，然后将烘干物研磨，即得到优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤①中按摩尔百分比分别称取50%的五水合硝酸铋和50%的十二水合原钒酸钠。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤②中乙二胺四乙酸二钠与五水合硝酸铋的摩尔比为(0.7～1):1。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤②中乙二胺四乙酸二钠与五水合硝酸铋的摩尔比为1:1。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤③中丙三醇水溶液的体积分数为25%～40%。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤③中丙三醇水溶液的体积分数为25%。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤④中硝酸铋溶液的浓度为0.025mol/l～0.04mol/l。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤④中硝酸铋溶液的浓度为0.025mol/l。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤⑥中钒酸钠溶液的浓度为0.025mol/l～0.04mol/l。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤⑥中钒酸钠溶液的浓度为0.025mol/l。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：步骤⑦中调节ph值为4～6.5。其它步骤及参数与具体实施方式一至十之一相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：步骤⑦中调节ph值为6。其它步骤及参数与具体实施方式一至十之一相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十二之一不同的是：步骤⑧中烘箱的温度为150℃～200℃，水热反应时间为1h～20h。其它步骤及参数与具体实施方式一至十二之一相同。

具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一至十二之一不同的是：步骤⑧中烘箱的温度为180℃，水热反应时间为12h。其它步骤及参数与具体实施方式一至十二之一相同。

具体实施方式十五：本实施方式一种优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋的制备方法步骤如下：

①、按摩尔百分比分别称取50%的五水合硝酸铋和50%的十二水合原钒酸钠；

②、称取乙二胺四乙酸二钠，所称取的乙二胺四乙酸二钠与步骤①中称取的五水合硝酸铋的摩尔比为1:1；

③、采用分析纯丙三醇和去离子水配制体积分数为25%的丙三醇水溶液，记为溶液a；

④、将步骤①中称取的五水合硝酸铋溶解于步骤③得到的溶液a中配制浓度为0.025mol/l的硝酸铋溶液，记为溶液b；

⑤、在搅拌条件下将步骤②中称取的乙二胺四乙酸二钠加入到步骤④得到的溶液b中得到白色悬浊液，记为悬浊液c；

⑥、将步骤①中称取的十二水合原钒酸钠溶解于去离子水中配制浓度为0.025mol/l的钒酸钠溶液，记为溶液d；

⑦、在搅拌条件下将步骤⑥得到的溶液d滴入到步骤⑤得到的悬浊液c中，并混合均匀，再用硝酸溶液调ph值为6，搅拌30min，得到前驱体溶液，记为前驱体溶液e；

⑧、将步骤⑦中得到的前驱体溶液e装入到水热反应釜中，控制装入量为水热反应釜体积的80%，盖上釜盖，然后将水热反应釜放在温度为180℃的烘箱中水热反应12h，然后自然冷却至室温，过滤，得到沉淀物；

⑨、将步骤⑧中得到的沉淀物先用蒸馏水洗涤，再用无水乙醇洗涤后，在温度为105℃的烘箱中烘6h，得到烘干物，然后将烘干物研磨，即得到优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋。

本实施方式中得到的优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋的xrd图如图1所示，从图1可以看出，样品的物相为单斜白钨矿相，呈现(040)择优取向，其中，xrd图谱的(040)和的衍射峰强度之比为1.48。

本实施方式中得到的优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋的sem图如图2所示，从图2可以看出，样品主要为手里剑形二维片状亚微米晶，通过比表面积测定仪测定样品的比表面积为3.64m²/g。

本实施方式中得到的优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋的tem图如图3所示，图3中，图3a是本实施方式中得到的优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋的低倍tem图；图3a中的插图是本实施方式中得到的优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋的高倍tem图；图3b是本实施方式中得到的优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋的hrtem图；图3b中的插图是本实施方式中得到的优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋的选区电子衍射花样图；从图3a可以看出，样品为手里剑形二维片状亚微米晶；从图3a中的插图可以看出，样品是由纳米颗粒构成；从图3b可以看出，样品的暴露晶面上存在两组相互垂直的晶面，它们的晶面间距分别为2.56å和2.59å，这样就可以确定相互垂直的晶面分别是(002)晶面和(200)晶面；从图3b中的插图可以看出，距离成像中心为2.56å的成像点(该成像点为(002)晶面)与成像中心组成的线段和距离成像中心为2.59å的成像点(该成像点为(200)晶面)与成像中心组成的线段之间的夹角为90度。

本实施方式中得到的优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋对亚甲基蓝水溶液的光催化降解是按以下步骤进行的：采用300瓦的氙灯作为照射光源，将50ml10mg/l的亚甲基蓝的水溶液置于50ml玻璃反应器中，加入0.05g具有优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋作为催化剂，放置于距氙灯10cm处，反应过程中以磁力搅拌保持反应溶液浓度均衡。光照前先暗吸附0.5h，再开始光反应，并在反应开始后，每0.5h取样4ml，以紫外-可见分光光度计测定光催化前后亚甲基蓝水溶液(其最大吸收波长为664nm)的浓度。取样8次后停止反应。

本实施方式中得到的优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋光催化降解亚甲基蓝水溶液的降解率-时间关系曲线图如图4所示，图中，a是本实施方式中得到的优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋光催化降解亚甲基蓝水溶液的降解率-时间关系曲线；b是未加入乙二胺四乙酸二钠制得的钒酸铋光催化降解亚甲基蓝水溶液的降解率-时间关系曲线。

从图4可以看出，本实施方式中得到的优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋对亚甲基蓝水溶液的光催化4h其降解率可达97%。由此可见，本实施方式中得到的优先暴露(040)晶面的手里剑形单斜相钒酸铋比未加入乙二胺四乙酸二钠制得的钒酸铋的光催化活性更强。