铋和溴氧铋双修饰二氧化钛纳米纤维可见光催化剂的制备方法

本发明涉及一种可见光催化剂的制备方法，尤其是涉及铋和溴氧铋双修饰二氧化钛纳米纤维可见光催化剂的制备方法。

背景技术：

1、公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、当今世界污染问题日益严重，尤其是工业废水污染，严重威胁着人和生物的健康，寻找一种绿色技术解决上述问题迫在眉睫。光催化技术是处理水污染的绿色技术，它利用太阳提供的能量，通过光催化剂的光催化反应，降解水中污染物，实现净化废水的目的。半导体光催化剂因其良好的光催化性能而备受关注，成为光催化剂中重要的一类。二氧化钛是典型的氧化物半导体光催化剂，它因化学性质稳定、廉价、无毒、具有良好的环境友好性而受到青睐，被应用于很多领域，如空气净化、抑菌等。

3、二氧化钛用于光催化降解废水还存在一定困难，主要问题是光催化效率低下，因此耗时和高成本成为制约其应用的重要缺陷。为了解决光催化效率低下的问题，提高二氧化钛的光催化效率，可以从三个方面入手。首先，改变带隙结构，提高光利用率。二氧化钛的带隙较宽，只能吸收紫外光进行光催化反应，而紫外光在阳光中占得比例较低，低的光利用率严重影响了其光催化效率，通过结构调整，使光吸收进入可见光区，提高光利用率，是提高光催化效率的有效手段。其次，增大二氧化钛比表面积，增加反应活性位点。光催化反应是在光催化剂表面进行，比表面积越大，反应活性位点越多，光催化效率越高，这就意味着比表面积大的纳米材料光催化效率更高，但是纳米颗粒进入水体后，由于尺寸太小，很难通过沉淀和过滤回收，不完全回收的二氧化钛会造成二次污染。制备可回收的纳米级二氧化钛光催化剂是提高光催化效率的有效方法。最后，优化制备工艺，获得单一或比例更高的锐钛矿相二氧化钛。二氧化钛有很多晶体结构，其中最常见的是锐钛矿相和金红石相，锐钛矿相具有更多的晶体缺陷，因此光催化效率更高，但是锐钛矿相热稳定性差，在高温条件下容易向金红石相相变，优化制备工艺，获得更多锐钛矿相晶体是提高光催化效率的有效方法。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了铋和溴氧铋双修饰二氧化钛纳米纤维可见光催化剂的制备方法。

2、本发明的目的在于通过优化制备工艺和合理的结构设计，调整二氧化钛带隙、形貌和晶相，进而提高光吸收率，增加反应活性位点，提高二氧化钛光催化效率，同时使其适用于废水处理。

3、本发明研究发现，使用金属铋和溴氧铋双修饰二氧化钛纳米纤维，能够有效改善二氧化钛光催化性能。

4、本发明中，水热反应和合理煅烧是提高溴氧铋负载率和结晶度的关键。

5、本发明研究还发现，二氧化钛纳米纤维形成的光催剂在水中可以通过沉淀回收，不易形成二次污染。

6、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

7、铋和溴氧铋双修饰二氧化钛纳米纤维可见光催化剂的制备方法，包括如下步骤：

8、步骤(1)钛酸四丁酯溶入冰乙酸和无水乙醇的混合物，再加入聚乙烯吡咯烷酮，搅拌均匀；

9、步骤(2)放入静电纺丝机进行静电纺丝；

10、步骤(3)使用箱式电阻炉在空气中煅烧，获得二氧化钛纳米纤维；

11、步骤(4)五水硝酸铋溶于乙二醇和乙醇中，搅拌均匀，命名为溶液a，溴化钾溶于水中，搅拌均匀，命名为溶液b，a溶液中加入二氧化钛纳米纤维后，加入b溶液，密封容器，在室温下连续搅拌；

12、步骤(5)形成的混合物使用水热反应釜进行水热反应；

13、步骤(6)水热后获得的沉淀物洗涤烘干；

14、步骤(7)在真空气氛炉中使用甲烷气体对沉淀物进行煅烧还原。

15、进一步优选，所述步骤(1)中钛酸四丁酯与无水乙醇的体积比为1∶(5～15)，聚乙烯吡咯烷酮质量与无水乙醇体积比为1g∶(10～15)ml。

16、进一步优选，所述步骤(2)静电纺丝电压为10～30kv。

17、进一步优选，所述步骤(3)中煅烧最高温度为400～500℃，升温速率为15～30℃/h。

18、进一步优选，所述步骤(4)中五水硝酸铋质量与乙二醇体积比为1g∶(5～10)ml，溴化钾质量与水的体积比为1g∶(15～30)ml，五水硝酸铋与二氧化钛纳米纤维的质量比为1∶(0.5～1)。

19、进一步优选，所述步骤(5)中水热反应温度为100～200℃。

20、进一步优选，所述步骤(7)中还原煅烧最高温度为350～450℃，煅烧时间为0.5～2h。

21、本发明研究发现，在所述的制备工艺、成分和物质比例的联合控制下，能够有效实现协同作用，能够扩展二氧化钛纳米纤维的光谱响应范围，提高光利用率，从而提高二氧化钛的光催化效率。

22、本发明研究发现，水热反应是提高溴氧铋负载率的关键工艺，使用甲烷气体煅烧还原是提高金属铋的关键工艺。

23、本发明优选的应用，将其作为光催化剂，用于水体中的有机污染物的光催化降解，光催化剂在水中容易回收，不易形成二次污染。

24、本发明的有益效果：

25、1.本发明提供的铋和溴氧铋双修饰二氧化钛纳米纤维可见光催化剂的制备方法，该方法能拓宽二氧化钛的光谱响应范围，提高自然光利用率。

26、2.本发明提供的铋和溴氧铋双修饰二氧化钛纳米纤维可见光催化剂的制备方法，利用溴氧铋的表面修饰，与二氧化钛形成半导体异质结，改变了二氧化钛的能带结构使其可以吸收可见光，同时铋与溴氧铋相互作用，可以提供更多参加反应的电荷，在两种效应的协同作用下，提高了二氧化钛的光催化性能。

27、3.本发明的纳米纤维结构，既具备纳米材料比表面积大的优势，又便于回收，避免对水体造成二次污染。

技术特征：

1.铋和溴氧铋双修饰二氧化钛纳米纤维可见光催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的铋和溴氧铋双修饰二氧化钛纳米纤维可见光催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中钛酸四丁酯与无水乙醇的体积比为1∶(5～15)，聚乙烯吡咯烷酮质量与无水乙醇体积比为1g∶(10～15)ml。

3.根据权利要求1所述的铋和溴氧铋双修饰二氧化钛纳米纤维可见光催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)静电纺丝电压为10～30kv。

4.根据权利要求1所述的铋和溴氧铋双修饰二氧化钛纳米纤维可见光催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中煅烧最高温度为400～500℃，升温速率为15～30℃/h。

5.根据权利要求1所述的铋和溴氧铋双修饰二氧化钛纳米纤维可见光催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中五水硝酸铋质量与乙二醇体积比为1g∶(5～10)ml，溴化钾质量与水的体积比为1g∶(15～30)ml，五水硝酸铋与二氧化钛纳米纤维的质量比为1∶(0.5～1)。

6.根据权利要求1所述的铋和溴氧铋双修饰二氧化钛纳米纤维可见光催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中水热反应温度为100～200℃。

7.根据权利要求1所述的铋和溴氧铋双修饰二氧化钛纳米纤维可见光催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤(7)中还原煅烧最高温度为350～450℃，煅烧时间为0.5～2h。

技术总结
本发明提供了铋和溴氧铋双修饰二氧化钛纳米纤维可见光催化剂的制备方法，包括：钛酸四丁酯溶入冰乙酸和无水乙醇的混合物，再加入聚乙烯吡咯烷酮；进行静电纺丝；使用箱式电阻炉在空气中煅烧，获得二氧化钛纳米纤维；五水硝酸铋溶于乙二醇和乙醇中，命名为溶液A，溴化钾溶于水中，命名为溶液B，A溶液中加入二氧化钛纳米纤维后，加入B溶液；形成的混合物使用水热反应釜进行水热反应；水热后获得的沉淀物洗涤烘干；在真空气氛炉中使用甲烷气体对沉淀物进行煅烧还原。本发明通过铋和溴氧铋双修饰使二氧化钛能吸收可见光，成为可见光催化剂，因此提高了二氧化钛的光催化效率，二氧化钛纳米纤维易于回收，不易造成二次污染。

技术研发人员：芦颖,洪金中,秦湘阁
受保护的技术使用者：佳木斯大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15