一种生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂的制备方法与流程

本发明涉及一种光催化剂的制备方法。

背景技术：

随着人们生活水平的提高，对自身健康的关注度也随之提高。室内空气污染是首要问题。有机污染物是室内空气污染的主要污染物。因此，能够降解有机物且绿色环保的木材深受欢迎。

现有技术中公开的铋系光催化木材是用两次加压浸渍处理，所用的卤化盐溶液在加工过程中可能产生有毒气体。此外，这种方法是先浸渍到一种溶液a中，在浸渍到另一种溶液b中，不足之处在于，首先，两次加工时长与成本提高，其次，浪费溶液成本，因为当从a中取出浸渍到b之后，b溶液就无法再次利用。第三，具有不可控性，在第二次浸渍时，有可能生成的物质堵塞在表面，无法均匀的分布在木材中。最后，此方法光催化剂的产生是利用两离子相遇沉淀反应后加压到木材表面，结合力差。

技术实现要素：

本发明的目的是要解决现有铋系光催化木材的制备成本高，加工过程中易产生有毒气体及光催化剂与木材的结合力差的问题，而提供一种生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂的制备方法。

一种生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂的制备方法，具体是按以下步骤完成的：

一、制备混合溶液A：

将五水合硝酸铋溶解到柠檬酸溶液中，再加入去离子水，混合均匀，得到混合溶液A；

步骤一中所述的五水合硝酸铋的质量与柠檬酸溶液的体积比为(0.5g～1.5g):5mL；

步骤一中所述的五水合硝酸铋的质量与去离子水的体积比为(0.5g～1.5g):(10mL～15mL)；

步骤一中所述的柠檬酸溶液的浓度为3mol/L～5mol/L；

二、制备混合溶液B；

将钼酸钠溶解到蒸馏水中，得到混合溶液B；

步骤二中所述的钼酸钠的质量与蒸馏水的体积比为(0.1g～0.4g):(15mL～20mL)；

三、制备反应液：

将混合溶液B以20滴/min～40滴/min的滴加速度滴加到混合溶液A中，得到混合溶液C；使用浓度为2mol/L的氢氧化钠溶液将混合溶液C的pH值调节至5.5～6，再在搅拌速度为300r/min～500r/min下搅拌2h～4h，得到反应液；

步骤三中所述的混合溶液B与混合溶液A的体积比为1:(0.9～1.1)；

四、水热反应：

将反应液转移至反应釜中，再将木材浸渍到反应液中，再在温度为130℃～150℃下反应10h～14h，得到反应产物；使用去离子水对反应产物清洗3次～5次，再在温度为50℃～70℃的真空干燥箱中干燥20h～28h，得到一种生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂和光催化剂粉末。

本发明的原理及优点：

一、本发明制备的生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂具有入口无毒的性能，十分安全；

二、本发明方法直接使用低成本原料，得到的产物一部分为生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂，一部分为光催化剂粉末，产物可充分利用产物，一举二得，绿色环保，无污染无浪费；

三、本发明中木材参与到反应过程中，钼酸铋晶体是在木材中形成晶核继而生长，木材具有良好的结合且分布均匀；

四、由于受到木材的影响，本发明制备的生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂表面的钼酸铋晶体的形状为蛋壳形，这种形状与污染物具有更加大的接触面积，进而提高其光催化性能；目前市场上现有的钼酸铋光催化剂并没有蛋壳形状的，这种形状和降解物具有更加大额接触面积，从而增加光催化活性；本发明制备的生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂因为具有更加大的吸附性能，从而进一步提高光催化活性；实验数据证明，在光照下，本发明制备的生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂在一个小时内可以降解99％的有机染料。

本发明可获得一种生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂。

附图说明

图1为未处理的桦木放大20000倍的SEM图；

图2为实施例一制备的生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂放大20000倍的SEM图；

图3为实施例一制备的生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂的XRD衍射图谱；

图4为紫外可见吸收光谱图，图4中1为未处理的桦木的紫外可见吸收光谱曲线，2为实施例一制备的生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂的紫外可见吸收光谱曲线；

图5为带隙图，图5中1为未处理的桦木的带隙曲线，2为实施例一制备的生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂的带隙曲线；

图6为太阳光照不同时长下实施例一制备的使用生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂降解罗丹明B染料的紫外可见吸收光谱曲线，图6中1为光照0min，2为光照10min，3为光照20min，4为光照30min，5为光照40min，6为光照50min，7为光照60min。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式是一种生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂的制备方法，具体是按以下步骤完成的：

一、制备混合溶液A：

将五水合硝酸铋溶解到柠檬酸溶液中，再加入去离子水，混合均匀，得到混合溶液A；

步骤一中所述的五水合硝酸铋的质量与柠檬酸溶液的体积比为(0.5g～1.5g):5mL；

步骤一中所述的五水合硝酸铋的质量与去离子水的体积比为(0.5g～1.5g):(10mL～15mL)；

步骤一中所述的柠檬酸溶液的浓度为3mol/L～5mol/L；

二、制备混合溶液B；

将钼酸钠溶解到蒸馏水中，得到混合溶液B；

步骤二中所述的钼酸钠的质量与蒸馏水的体积比为(0.1g～0.4g):(15mL～20mL)；

三、制备反应液：

将混合溶液B以20滴/min～40滴/min的滴加速度滴加到混合溶液A中，得到混合溶液C；使用浓度为2mol/L的氢氧化钠溶液将混合溶液C的pH值调节至5.5～6，再在搅拌速度为300r/min～500r/min下搅拌2h～4h，得到反应液；

步骤三中所述的混合溶液B与混合溶液A的体积比为1:(0.9～1.1)；

四、水热反应：

将反应液转移至反应釜中，再将木材浸渍到反应液中，再在温度为130℃～150℃下反应10h～14h，得到反应产物；使用去离子水对反应产物清洗3次～5次，再在温度为50℃～70℃的真空干燥箱中干燥20h～28h，得到一种生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂和光催化剂粉末。

本实施方式的原理及优点：

一、本实施方式制备的生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂具有入口无毒的性能，十分安全；

二、本实施方式的方法直接使用低成本原料，得到的产物一部分为生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂，一部分为光催化剂粉末，产物可充分利用产物，一举二得，绿色环保，无污染无浪费；

三、本实施方式中木材参与到反应过程中，钼酸铋晶体是在木材中形成晶核继而生长，木材具有良好的结合且分布均匀；

四、由于受到木材的影响，本实施方式制备的生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂表面的钼酸铋晶体的形状为蛋壳形，这种形状与污染物具有更加大的接触面积，进而提高其光催化性能；目前市场上现有的钼酸铋光催化剂并没有蛋壳形状的，这种形状和降解物具有更加大额接触面积，从而增加光催化活性；本实施方式制备的生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂因为具有更加大的吸附性能，从而进一步提高光催化活性；实验数据证明，在光照下，本实施方式制备的生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂在一个小时内可以降解99％的有机染料。

本实施方式可获得一种生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤一中所述的五水合硝酸铋的质量与柠檬酸溶液的体积比为(0.5g～1g):5mL。其它步骤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之一不同点是：步骤一中所述的五水合硝酸铋的质量与柠檬酸溶液的体积比为(1g～1.5g):5mL。其它步骤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至三之一不同点是：步骤一中所述的五水合硝酸铋的质量与去离子水的体积比为(0.5g～1g):(10mL～13mL)。其它步骤与具体实施方式一至三相同。

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点是：步骤一中所述的五水合硝酸铋的质量与去离子水的体积比为(1g～1.5g):(13mL～15mL)。其它步骤与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤一中所述的柠檬酸溶液的浓度为3mol/L～4mol/L。其它步骤与具体实施方式一至五相同。

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点是：步骤二中所述的钼酸钠的质量与蒸馏水的体积比为(0.1g～0.3g):(15mL～18mL)。其它步骤与具体实施方式一至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤三中所述的混合溶液B与混合溶液A的体积比为1:(0.9～1)。其它步骤与具体实施方式一至七相同。

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点是：步骤四中将反应液转移至反应釜中，再将木材浸渍到反应液中，再在温度为130℃～140℃下反应10h～12h，得到反应产物；使用去离子水对反应产物清洗3次～4次，再在温度为50℃～60℃的真空干燥箱中干燥20h～24h，得到一种生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂和光催化剂粉末。其它步骤与具体实施方式一至八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：步骤四中将反应液转移至反应釜中，再将木材浸渍到反应液中，再在温度为140℃～150℃下反应12h～14h，得到反应产物；使用去离子水对反应产物清洗4次～5次，再在温度为60℃～70℃的真空干燥箱中干燥24h～28h，得到一种生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂和光催化剂粉末。其它步骤与具体实施方式一至九相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：一种生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂的制备方法，具体是按以下步骤完成的：

一、制备混合溶液A：

将1g五水合硝酸铋溶解到5mL柠檬酸溶液中，再加入13mL去离子水，混合均匀，得到混合溶液A；

步骤一中所述的柠檬酸溶液的浓度为4mol/L；

二、制备混合溶液B；

将0.3g钼酸钠溶解到18mL蒸馏水中，得到混合溶液B；

三、制备反应液：

将步骤二中得到的混合溶液B以30滴/min的滴加速度滴加到步骤一中得到的混合溶液A中，得到混合溶液C；使用浓度为2mol/L的氢氧化钠溶液将混合溶液C的pH值调节至6，再在搅拌速度为400r/min下搅拌3h，得到反应液；

四、水热反应：

将反应液转移至反应釜中，再将木材浸渍到反应液中，再在温度为140℃下反应12h，得到反应产物；使用去离子水对反应产物清洗5次，再在温度为60℃的真空干燥箱中干燥24h，得到一种生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂和光催化剂粉末；

步骤四中所述的木材为桦木，桦木的长为10mm，宽为10mm，厚度为0.5mm。

图1为未处理的桦木放大20000倍的SEM图；

从图1可知，未处理的桦木的表面十分平滑未有其他物质。

图2为实施例一制备的生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂放大20000倍的SEM图；

从图2可知，实施例一制备的生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂均匀的分布在木材表面，并且可以清晰地看见圆形的催化剂上面有一个缺口，这也是称为蛋壳形催化剂的原因。

图3为实施例一制备的生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂的XRD衍射图谱；

以2θ＝16.11°和22.21°为中心的衍射峰对应于木材中纤维素的(101)和(002)衍射面。，我们可以观察到以10.8°，28.0°，31.9°，32.5°，46.2°，46.6°，54.9°，55.4°和57.7°为中心的衍射峰。这些峰值与钼酸铋的(020)，(131)，(002)，(060)，(202)，(062)，(133)，(191)，(262)。这与文献值(JCPDS43-0446)一致。证实了在木材中形成了钼酸铋晶体。

图4为紫外可见吸收光谱图，图4中1为未处理的桦木的紫外可见吸收光谱曲线，2为实施例一制备的生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂的紫外可见吸收光谱曲线；

由4图可见，在可见光范围内，曲线2表现出更强烈的吸收，表明在可见光照射下实施例一制备的生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂具有光活性。表明实施例一制备的生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂在可见光区域应具有良好的光催化潜能。

样品的带隙值进一步根据方程ahv＝A(hv-Eg)^n/2估算，其中a，h，n，Eg和A分别是吸收系数，普朗克常数，光频率，带隙和常数。其中，n值取为1，依据此公式及图4中的数据计算未处理的桦木和实施例一制备的生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂的带隙，见图5所示。

图5为带隙图，图5中1为未处理的桦木的带隙曲线，2为实施例一制备的生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂的带隙曲线；

带隙是从吸收边缘估计出来的。对于未处理的桦木和实施例一制备的生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂计算出的带隙值分别为2.3和1.7eV。实施例一制备的生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂比未处理的桦木具有更小的带隙，这些结果指出，实施例一制备的生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂在可见光照射下具有适合光催化降解有机污染物的带隙。所以实施例一制备的生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂具有好的光催化活性。

在太阳光下将实施例一制备的生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂加入到30mL浓度为10mol/L的罗丹明B染料溶液中，降解0min～60min时罗丹明B染料溶液的紫外可见吸收光谱曲线见图6所示；

图6为太阳光照不同时长下实施例一制备的使用生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂降解罗丹明B染料的紫外可见吸收光谱曲线，图6中1为光照0min，2为光照10min，3为光照20min，4为光照30min，5为光照40min，6为光照50min，7为光照60min；

从图6可知，经过60min的太阳光照射后，染料罗丹明B的吸收峰接近消失，说明了实施例一制备的使用生长在木材表面的环境友好型蛋壳状光催化剂光照60min后染料光降解量接近99％。