一种固载型铜铒共掺杂铁酸铋光催化剂及其制法和应用的制作方法

本发明属于光催化材料技术领域，特别涉及一种固载型铜铒共掺杂铁酸铋光催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

随着人民生活水平的提高，越来越多的人开始重视环境问题。在当下，有机污染是环境问题中最严重的问题之一。近些年来，光催化剂在有机污染物处理方面的应用已经成为人民研究的热点之一。铁酸铋是一种能够利用可见光进行光催化作用的新型半导体光催化剂，也是在室温下具有铁电性和磁性的材料，化学性质稳定且成本低，具有诱人的应用前景。但由于铁酸铋光量子产率低造成催化效率不高，以及弱磁性导致分离效果不好而制约了其应用，因此对其a位与b位进行共掺杂来改善其光学、电学及磁学的性能有着重要的现实意义。

目前，光催化氧化技术在实际应用中任存在一些难题。主要是光催化剂难以分离回收，由于光催化氧化技术在处理有机污染物的过程中所使用的光催化剂大多数为粉末，在水中易于凝聚、不易沉降，易造成光催化剂流失，不利于光催化剂的再生和再利用。将光催化剂固载可以解决催化剂分离回收难的问题，还可以克服悬浮相催化剂稳定性差和易中毒的缺点。因此，开发一种稳定、高效的固定化光催化剂及开展其光催化氧化技术的应用是相关技术的难点。寻找一种具有多孔洞、比表面积大、吸附能力强、化学性质稳定的优良载体，能有效解决光催化剂的缺点。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种固载型铜铒共掺杂铁酸铋光催化剂的制备方法。

本发明另一目的在于提供上述方法制备的固载型铜铒共掺杂铁酸铋光催化剂。

本发明再一目的在于提供上述固载型铜铒共掺杂铁酸铋光催化剂在废水处理中的应用。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种固载型铜铒共掺杂铁酸铋光催化剂的制备方法，其主要包括以下步骤：

(1)将光催化剂载体放入稀酸性溶液中常温下浸泡1小时，然后取出洗净并烘干，最后高温煅烧，备用；

(2)将含铁化合物、含铋化合物、含铜化合物及含铒化合物分批溶于同一种硝酸溶液中，得溶液a；

(3)持续搅拌条件下向溶液a中滴加碱性溶液，直至沉淀完全，形成胶体；

(4)将步骤(1)中高温煅烧后的光催化剂载体浸入步骤(3)中的胶体中，浸渍一段时间后取出烘干再浸入，重复数次后取出在高温条件下煅烧即得固载型铜铒共掺杂铁酸铋光催化剂。

步骤(1)中所述的光催化剂载体可为蜂窝陶瓷、泡沫铁、泡沫铜、玻璃、镁合金、铝合金、陶瓷膜等本领域常规使用的载体材料；所述的酸性溶液为醋酸、硫酸、硝酸、盐酸及其他酸性水溶液中的一种或者多种，所述的酸性溶液浓度为5wt％～15wt％。

步骤(1)中所述的高温煅烧是指在200～800℃煅烧0.5～4h。

步骤(2)中所述的含铁化合物优选为硝酸铁；所述的含铋化合物优选为硝酸铋；所述的含铜化合物优选为硝酸铜；所述的含铒化合物优选为硝酸铒。

步骤(2)中所述的硝酸溶液的浓度为0.01～6mol/l；步骤(2)中所述的含铁化合物、含铋化合物、含铜化合物及含铒化合物的用量为步骤(2)中所形成的铜铒共掺杂铁酸铋的化学式计量比例为bi1-xerxfe1-ycuyo3(0<x≤0.1，0<y≤0.1)。

步骤(3)中所述的碱性溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氨水及其他常见的碱性溶液；步骤(3)中所述的搅拌状态是指搅拌速度为300～1000r/min，步骤(3)所述的滴加优选为滴加速度为1～2滴/s。

步骤(4)中所述的浸渍一段时间是指浸渍0.5～1h；所述的烘干是指在60～100℃干燥0.5～2h；所述的浸渍数次是指浸渍1～10次；

步骤(4)中所述的高温煅烧是指在200～800℃下煅烧0.5～4h。

一种由上述方法制备得到的固载型铜铒共掺杂铁酸铋光催化剂。

上述的固载型铜铒共掺杂铁酸铋光催化剂在废水治理中的应用，优选在光催化降解含苯胺废水中的应用。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：

本发明将含铁化合物、含铋化合物、含铜化合物及含铒化合物制备形成胶体，通过浸渍胶体后煅烧的方法使铜铒共同掺杂入铁酸铋中，并覆盖在载体上而得到均一性好、催化活性高的固载型光催化剂材料，所得催化剂相比纯铁酸铋光催化性能明显增强，催化剂固载牢固、不易脱落；载体可以选择有多孔洞、比表面积大、吸附能力强的材料，增加光催化反应位点，提高了光催化效率。且本发明制备工艺简单，重复性好。

附图说明

图1为实施例1、对比实施例1和2中制备的光催化剂对苯胺的降解曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例中所用试剂如无特殊说明均可从市场常规购得。

实施例1

将蜂窝陶瓷样品放入10％的稀硝酸溶液中浸泡1小时，取出后用去离子水冲洗，然后置于烘箱中80℃干燥2小时，放入马弗炉300℃煅烧3小时，备用。配制2mol/l的硝酸溶液20ml，按照bi0.95er0.05fe0.95cu0.05o3的化学式计量比将硝酸铁、硝酸铋、硝酸铜及硝酸铒溶于该硝酸溶液中；在700r/min的持续搅拌状态下向上述硝酸溶液中缓慢滴加氢氧化钠溶液直至沉淀完全，形成胶体；再将备用的蜂窝陶瓷浸入该胶体中，浸渍0.5小时后取出置于烘箱中80℃干燥0.5小时，然后再次浸渍0.5小时后干燥0.5小时，如此重复8次，再将蜂窝陶瓷放入马弗炉600℃煅烧1小时，得到蜂窝陶瓷固载的铜铒共掺杂铁酸铋光催化剂，光催化剂负载量为25.5％，90分钟对苯胺污水的降解率为97.5％。

实施例2：

将蜂窝陶瓷样品放入10％的稀硫酸溶液中浸泡1小时，取出后用去离子水冲洗，然后置于烘箱中80℃干燥2小时，放入马弗炉800℃煅烧0.5小时，备用。配制0.5mol/l的硝酸溶液20ml，按照bi0.9er0.1fe0.95cu0.05o3的化学式计量比将硝酸铁、硝酸铋、硝酸铜及硝酸铒溶于该硝酸溶液中；在700r/min的持续搅拌状态下向上述硝酸溶液中缓慢滴加氨水直至沉淀完全，形成胶体；再将备用的蜂窝陶瓷浸入该胶体中，浸渍40分钟后取出置于烘箱中80℃干燥0.5小时，然后再次浸渍40分钟后干燥0.5小时，如此重复6次，再将蜂窝陶瓷放入马弗炉800℃煅烧0.5小时，得到蜂窝陶瓷固载的铜铒共掺杂铁酸铋光催化剂，光催化剂负载量为22.8％，90分钟对苯胺污水的降解率为92.8％。

实施例3：

将泡沫铜样品放入10％的盐酸溶液中浸泡1小时，取出后用去离子水冲洗，然后置于烘箱中80℃干燥2小时，放入马弗炉600℃煅烧1小时，备用。配制1mol/l的硝酸溶液20ml，按照bi0.95er0.05fe0.9cu0.1o3的化学式计量比将硝酸铁、硝酸铋、硝酸铜及硝酸铒溶于该硝酸溶液中；在700r/min的持续搅拌状态下向上述硝酸溶液中缓慢滴加氢氧化钾溶液直至沉淀完全，形成胶体；再将备用的泡沫铜浸入该胶体中，浸渍50分钟后取出置于烘箱中80℃干燥0.5小时，然后再次浸渍50分钟后干燥0.5小时，如此重复4次，再将泡沫铜放入马弗炉500℃煅烧2小时，得到泡沫铜固载的铜铒共掺杂铁酸铋光催化剂，光催化剂负载量为18.6％，90分钟对苯胺污水的降解率为85.6％。

实施例4：

将泡沫铜样品放入10％的稀硝酸溶液中浸泡1小时，取出后用去离子水冲洗，然后置于烘箱中80℃干燥2小时，放入马弗炉500℃煅烧2小时，备用。配制3mol/l的硝酸溶液20ml，按照bi0.9er0.1fe0.9cu0.1o3的化学式计量比将硝酸铁、硝酸铋、硝酸铜及硝酸铒溶于该硝酸溶液中；在700r/min的持续搅拌状态下向上述硝酸溶液中缓慢滴加氢氧化钠溶液直至沉淀完全，形成胶体；再将备用的泡沫铜浸入该胶体中，浸渍1小时后取出置于烘箱中80℃干燥0.5小时，然后再次浸渍1小时后干燥0.5小时，如此重复2次，再将泡沫铜放入马弗炉300℃煅烧3小时，得到泡沫铜固载的铜铒共掺杂铁酸铋光催化剂，光催化剂负载量为13.4％，90分钟对苯胺污水的降解率为86.8％。

实施例5：

将泡沫铁样品放入15％的醋酸溶液中浸泡1小时，取出后用去离子水冲洗，然后置于烘箱中80℃干燥2小时，放入马弗炉200℃煅烧4小时，备用。配制5mol/l的硝酸溶液20ml，按照bi0.92er0.08fe0.97cu0.03o3的化学式计量比将硝酸铁、硝酸铋、硝酸铜及硝酸铒溶于该硝酸溶液中；在700r/min的持续搅拌状态下向上述硝酸溶液中缓慢滴加氢氧化钾溶液直至沉淀完全，形成胶体；再将备用的泡沫铁浸入该胶体中，浸渍1小时后取出置于烘箱中80℃干燥0.5小时，然后再次浸渍1小时后干燥0.5小时，如此重复10次，再将泡沫铁放入马弗炉200℃煅烧4小时，得到泡沫铁固载的铜铒共掺杂铁酸铋光催化剂，光催化剂负载量为14.5％，90分钟对苯胺污水的降解率为87.3％。

对比实施例1

将蜂窝陶瓷样品放入10％的稀硝酸溶液中浸泡1小时，取出后用去离子水冲洗，然后置于烘箱中80℃干燥2小时，放入马弗炉300℃煅烧3小时，备用。然后将备用的蜂窝陶瓷浸入去离子水中，浸渍0.5小时后取出置于烘箱中80℃干燥0.5小时，然后再次浸渍0.5小时后干燥0.5小时，如此重复8次，再将蜂窝陶瓷放入马弗炉600℃煅烧1小时，即得蜂窝陶瓷，90分钟对苯胺污水的降解率为10.2％。

对比实施例2

将蜂窝陶瓷样品放入10％的稀硝酸溶液中浸泡1小时，取出后用去离子水冲洗，然后置于烘箱中80℃干燥2小时，放入马弗炉300℃煅烧3小时，备用。配制2mol/l的硝酸溶液20ml，按照fe元素与bi元素的摩尔比为1:1的剂量将硝酸铁与硝酸铋溶于该硝酸溶液中；在700r/min的持续搅拌状态下向上述硝酸溶液中缓慢滴加氢氧化钠溶液直至沉淀完全，形成胶体；再将备用的蜂窝陶瓷浸入该胶体中，浸渍0.5小时后取出置于烘箱中80℃干燥0.5小时，然后再次浸渍0.5小时后干燥0.5小时，如此重复8次，再将蜂窝陶瓷放入马弗炉600℃煅烧1小时，得到蜂窝陶瓷固载的铁酸铋光催化剂，光催化剂负载量为24.5％，90分钟对苯胺污水的降解率为83.6％。

对苯胺的光催化降解性能验证：

向光催化反应器中加入50ml浓度为10mg/l的苯胺溶液，取上述实施例1制得的蜂窝陶瓷固载的铜铒共掺杂铁酸铋光催化剂置于其中，暗反应30min后达到吸附平衡，然后在300w氙灯照射下，每30min取一次样，经染色后再用紫外-可见分光光度计测量溶液的吸光度并计算剩余苯胺含量；同样的，对对比实施例1和2中得到的光催化剂进行同样的操作，降解结果如图1所示，从图1中可以看出，本发明制备得到的蜂窝陶瓷固载的铜铒共掺杂铁酸铋光催化剂的降解效果最好，90min就基本上降解完全。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。