一种制备CdS/Bi4V2O11异质结复合光催化剂的方法与流程

本发明涉及过渡金属钒酸盐，特指一种以偏钒酸铵、五水合硝酸铋、尿素、氨水、硫代乙酰胺、乙酸镉和乙二醇作为原料合成cds/bi4v2o11异质结光催化剂的方法。其特点在于制备工艺简单，产品具有良好可见光催化活性。

技术背景

目前，钒酸盐由于其独特的电、光特性被广泛应用于荧光、催化以及激光材料等各个领域。其中，钒酸铋(bi4v2o11)具有优异的化学和热稳定性，窄的禁带宽度可以响应可见光，因而在光催化领域已经成为近年来研究的热点。bi4v2o11作为常见的铋系半导体材料，在结构上主要以三种形式存在：α(单斜晶系)，β(斜方晶系)和γ(正方晶系)，而且在450℃和570℃时存在两相之间的转变。目前制备方法主要为传统的固相法，即在高于570℃的温度下煅烧即可得到具有光催化能力的γ-bi4v2o11。但是，传统固相法能耗较高，由此法得到的钒酸铋大都具有尺寸大、分散性差、形貌不规则的特点，而且由于bi4v2o11自身电子空穴易重组，使其具有较低的光催化活性，限制了钒酸铋的实际应用。所以通过低温法制备复合光催化剂来提高此类光催化剂的活性依然是一个富有挑战性的课题。

构筑异质结是提高电子和空穴分离效率的重要手段之一。异质结由于特殊的能带结构和载流子传输特性，在光催化反应中可以有效抑制电子和空穴重组，提高光催化剂的催化活性。硫化镉(cds)由于其窄禁带宽度和较高的导带位置，适用于构筑异质结光催化剂。目前，还没有关于钒酸铋和硫化镉之间的异质结的构筑及将其应用于光催化降解染料的研究。

溶剂热法具有能耗低、产物纯度高及产率高等优点。因此，本研究采用两步溶剂热法低温合成了cds/bi4v2o11异质结光催化剂，同时调节不同的硫化镉和钒酸铋摩尔比例，通过光催化降解罗丹明b(rhb)这种常见的有机染料来考察所制备的光催化剂的催化活性，通过捕获实验及esr技术探究其催化机理。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种两步溶剂热法制备的基于过渡金属钒酸盐的高效光催化剂，实现可见光下光催化降解罗丹明b的异质结复合光催化剂的方法。

本发明通过以下步骤实现：

(1)称取五水合硝酸铋，将其加入乙二醇溶液中，超声分散；搅拌均匀后按照化学计量比加入偏钒酸铵和尿素，搅拌均匀后用稀氨溶液调节ph为7.5；将悬浮液装于反应釜中，置于180℃烘箱中溶剂热反应24h；将得到的沉淀物洗涤、干燥后得到bi4v2o11；称取bi4v2o11放入乙二醇溶液中，搅拌均匀后加入相同物质的量的乙酸镉和硫代乙酰胺，搅拌均匀；将得到的悬浮液装入反应釜中，并置于100℃的烘箱中反应24h；待反应釜冷却后，将沉淀物收集，经洗涤、干燥后即可得到cds/bi4v2o11异质结复合光催化剂。

其中cds和与bi4v2o11的摩尔比为0.2-7:1。

所述稀氨溶液的浓度为质量浓度为14％。

(2)本发明采用溶剂热法低温合成cds/bi4v2o11异质结复合光催化剂，能耗较低；所得样品形貌规则，分散性较好。

(3)本发明制备的cds/bi4v2o11异质结复合光催化剂有效抑制了光生电子空穴的重组，提高了光催化活性。

(4)利用x射线衍射(xrd)、电镜扫描(sem)等手段对产物进行结构分析；以罗丹明b为目标污染物进行光催化降解实验，通过紫外-可见分光光度计测量吸光度，以评估其光催化活性；并通过捕获实验、esr技术探究了光催化剂的催化活性提高的机理。

附图说明

图1为所制备的cds/bi4v2o11异质结复合光催化剂,cds,bi4v2o11的xrd衍射谱图。

图2为所制备的bi4v2o11的扫描电镜照片(a)，cds/bi4v2o11异质结复合光催化剂的扫描电镜照片(b)。

图3为cds/bi4v2o11异质结复合光催化剂的元素分析谱图。

图4为cds/bi4v2o11异质结复合光催化剂在光照120min内对rhb的降解曲线。

图5为(3:1)-cds/bi4v2o11异质结复合光催化剂对h⁺,·o2^-和·oh自由基的捕获图。

图6为(3:1)-cds/bi4v2o11异质结复合光催化剂的esr谱图。

具体实施方式

实施例1cds/bi4v2o11异质结复合光催化剂的制备

称取1.2127g五水合硝酸铋，将其加入30ml乙二醇溶液中，超声分散；搅拌均匀后加入0.1463g偏钒酸铵和0.5g尿素，搅拌均匀后用稀氨溶液(14％)调节ph为7.5；将悬浮液装于50ml的反应釜中，置于180℃烘箱中溶剂热反应24h；将得到的沉淀物用去离子水和无水乙醇洗涤各两次，并置于80℃烘箱中干燥12h。将得到的bi4v2o11称取0.1114g(0.1mm)加入30ml的乙二醇溶液中，搅拌均匀后加入0.3mm乙酸镉和0.3mm硫代乙酰胺，搅拌均匀；将得到的悬浮液装入50ml的反应釜，并置于100℃的烘箱中反应24h；待反应釜冷却后，将沉淀物收集，并用去离子水和无水乙醇洗涤各两次，干燥后即可得到最终产物。最后得到(3:1)-cds/bi4v2o11异质结复合光催化剂。

实施例2cds/bi4v2o11异质结复合光催化剂的表征分析

如图1所示，复合后的样品均有cds和bi4v2o11的特征峰出现，且随着cds量的增加，cds的峰逐渐增强。这种结果说明我们成功制备出了不同摩尔比的cds/bi4v2o11异质结复合光催化剂。

如图2所示，(a)图中可以看到纯bi4v2o11为交叉的纳米薄片，(b)图中可以看到cds纳米颗粒沉积在纯bi4v2o11的表面。

如图3所示，可以看到异质结复合光催化剂的各元素及所占比重。

如图5所示，可以看到h⁺,·o2^-和·oh自由基对异质结复合光催化剂的催化活性均产生了重要作用。

如图6所示，可以看到异质结复合光催化剂在光照条件下会产生大量的·o2^-和·oh自由基。

实施例3cds/bi4v2o11异质结复合光催化剂的可见光催化活性实验

(1)配制浓度为10mg/l的罗丹明b，将配好的溶液置于暗处。

(2)称取100mgcds/bi4v2o11异质结复合光催化剂，将其置于光催化反应器中，加入100ml步骤(1)所配好的目标降解液，在黑暗条件下磁力搅拌40min待复合光催化剂分散均匀后，打开水源，光源，进行光催化降解实验。

(3)每30min吸取反应器中的光催化降解液，离心后吸取上清液用于吸光度的测量。

(4)由图4可见所制备的光催化剂具有优异的可见光催化活性，尤其是cds与bi4v2o11的摩尔比为3:1的样品降解罗丹明b活性最好，比纯的bi4v2o11要高得多。

技术特征：

技术总结
本发明涉及过渡金属钒酸盐，特指一种制备CdS/Bi4V2O11异质结光催化剂的方法。本发明采用两步溶剂热法低温合成了CdS/Bi4V2O11异质结光催化剂，同时调节不同的硫化镉和钒酸铋摩尔比例，通过光催化降解罗丹明B(RhB)这种常见的有机染料来考察所制备的光催化剂的催化活性，通过捕获实验及ESR技术探究其催化机理。

技术研发人员：陈敏;吕涛涛;罗必富;徐东波
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：2017.04.28
技术公布日：2017.09.12