專利名稱：一種鐵酸鉍光催化劑的制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于環(huán)境科學與工程學領域，涉及一種多鐵性材料，尤其是涉及一種鐵磁 性鐵酸鉍光催化劑及其合成方法，具體為一種利用光催化技術降解水中有機污染物的鐵酸 鉍光催化劑的制備方法。
背景技術：
鐵酸鉍(BiFeO3)是一種典型的單相磁電材料和鐵電材料，在常溫以上呈現(xiàn)多鐵性 能，是少數(shù)同時具有鐵電性和反鐵磁性的材料之一；具有三方扭曲的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，其中氧八 面體繞體對角線軸轉(zhuǎn)動一定的角度，形成一種偏離理想鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的斜六方體結(jié)構(gòu)；室溫 下BiFeO3同時具有兩種結(jié)構(gòu)有序，即鐵電有序(居里溫度Τ。= 1100K)和G型反鐵磁有序 (尼爾溫度Tn = 650K)；可以廣泛應用于收音機、電視機、微波、通訊衛(wèi)星、塊狀器件、磁泡 器、新型存儲器件及自旋電子學等領域，而且它還能與其它一些鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的化合物形成 具有優(yōu)良鐵電性能的固溶體，尤其是BiFeO3材料中不含鉛，這符合人們在生產(chǎn)與使用中對 環(huán)境和人體的保護要求，因此單相BiFeO3的制備受到越來越多研究人員的關注，具有十分 重要的應用前景。目前合成BiFeO3粉體的方法主要有高溫固相燒結(jié)法、水熱合成法、溶膠凝膠法和 高能球磨法等。高溫固相燒結(jié)法是用鉍和鐵的氧化粉體通過混合，球磨，再在高溫下燒結(jié)而 制成的。該方法雖然步驟簡單，但是兩種氧化物很難達到完全均一，同時由于氧化鉍在高溫 下具有揮發(fā)特性，在熱處理過程中會導致偏離理想化學計量的不合格產(chǎn)品的出現(xiàn)。采用水 熱合成法制備的粉體具有純度高、粒徑分布窄、晶體發(fā)育完整、工藝相對簡單以及燒結(jié)活性 高等優(yōu)點，而且水熱法制備粉體是在液相中一次完成，不需要后期的晶化熱處理，從而避免 了后期熱處理而導致的粉體硬團聚和晶體自行長大等不利現(xiàn)象，然而BiFeO3只能在很窄的 溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定存在，所以水熱法合成單相BiFeO3的條件范圍很窄，并且水熱合成法制備 粉體存在反應周期長、反應過程不容易控制等缺點。溶膠凝膠法具有制備材料均勻、純度 高、組成成分容易控制、容易制備出各種形狀等優(yōu)點而被人們廣泛采用，是制備無機材料包 括粉體、纖維、陶瓷和薄膜的一種重要方法，然而該方法的合成溫度較高，往往伴隨著其它 相的產(chǎn)生，同時前驅(qū)體材料中雜質(zhì)的存在也會導致雜質(zhì)相的產(chǎn)生，因此制備的BiFeO3常常 會有Bi36Fe2O7和Bi2Fe4O9等寄生相，在燒結(jié)之后需要借助硝酸去除Bi2Fe4O9和Bi25FeO4tl等 雜相，使粉體表面粗糙，實驗的重復性也不好，同時上述方法合成溫度較高，往往接近甚至 高于居里溫度，最終影響材料的鐵電性能。高能球磨法是以氧化鉍和氧化鐵粉末為原料，經(jīng) 高能球磨直接制備鐵酸鉍納米粉體，該方法利用了兩種粉體在反復碰撞過程中發(fā)生的機械 合金化反應來合成目標產(chǎn)物，省去了高溫熱處理過程。但機械化合金法所需時間長，不適合 批量生產(chǎn)。鐵酸鉍晶體的研究至今已有二十多年之久，作為一種重要的光磁材料，近年來鐵 酸鉍晶體引起了材料科學和光催化領域科學家的極大重視。研究工作者將其引入到光催化 領域中來文獻“碳納米管改性鐵酸鉍光催化還原CO2合成甲醇李鑫，何世育，李忠，硅酸鹽學報2009，Vol. 37 No. 11，1869-1872”采用溶膠凝膠法制備了鐵酸鉍，研究結(jié)果表明鐵酸鉍 具有較好的可見光響應性，并評價了其光催化還原CO2合成甲醇的性能，認為鐵酸鉍具有較 大的開發(fā)潛力。文獻“鐵酸鉍粉體硝酸鉀輔助水熱合成的形貌調(diào)控及可見光催化性能李 順，林元華，張波萍，南策文，無機化學學報2010，Vol. 26 No. 3，495-499”采用水熱合成法 合成了不同尺寸的鐵酸鉍粉體，并對其光催化降解剛果紅的性能進行了評價。公開號為CN 101311369的發(fā)明專利采用改進的水熱合成法，在水熱反應完成后采用快速冷卻，抑制第二 相的產(chǎn)生和顆粒長大，獲得具有純相鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和鐵磁性的鐵酸鉍粉體，然而其并未對該 粉體的光催化活性進行深入的研究。上述工作成功實現(xiàn)了鐵酸鉍粉體的人工合成，方法也較為成熟和穩(wěn)定，但所得 鐵酸鉍材料顆粒度小，無法解決催化劑從水體中分離的問題，并且通常伴隨Bi2Fe4O9或 Bi25FeO4tl等雜相的產(chǎn)生，因此需要對其結(jié)構(gòu)和形態(tài)進行進一步改善，使之能更好的為水體 凈化行業(yè)服務。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于降解水中有機污染物的具有高光催化活性、大顆 粒尺寸、具有多孔結(jié)構(gòu)的鐵酸鉍光催化劑及其制備方法，即采用溶劑熱法合成鐵酸鉍，合成 時硝酸鉍與硝酸鐵的摩爾比為12 1 ；采用氙燈為光源，制備的鐵酸鉍為光催化劑，能夠?qū)?現(xiàn)對水中有機污染物高效的降解，以達到去除水中有機污染物的目的。該方法所采用的催 化劑制備過程簡單，顆粒尺寸大，易于回收利用，對環(huán)境不會造成二次污染；且方法操作容 易，成本低廉，高效省時，故具有很好的工業(yè)化前景。鐵酸鉍光催化劑的制備步驟包括1)前驅(qū)溶液的制備將五水硝酸鉍溶解在0. 008 0. 016摩爾/升的嵌段共聚體 表面活性劑的乙酸溶液中，形成硝酸鉍濃度為0. 7摩爾/升的溶液；硝酸鉍和硝酸鐵的摩爾 比為12 1，將硝酸鐵加入到硝酸鉍的溶液中，充分攪拌，得到褐色前驅(qū)體溶液；2)水熱合成將前驅(qū)體溶液在室溫下陳化3小時后，將其轉(zhuǎn)移到具有聚四氟乙烯 內(nèi)襯的不銹鋼高壓釜中，填充度為80 %，密封反應釜，并將反應釜置于120 160°C電熱恒 溫鼓風干燥箱內(nèi)密閉晶化24 48小時，使其充分反應；3)冷卻反應釜從電熱恒溫鼓風干燥箱中取出反應釜，將其放入冷水中快速冷卻
至室溫；4)過濾和干燥取出晶化產(chǎn)物鉍鐵復合氧化物進行過濾，用去離子水反復沖洗所 得的沉淀物，然后在120 150°C的電熱恒溫鼓風干燥箱內(nèi)干燥，得到鐵酸鉍粉體的前驅(qū) 體；5)高溫煅燒將前驅(qū)體粉末于400 550°C的馬弗爐內(nèi)高溫焙燒3小時后，冷卻， 研磨，即得鐵酸鉍粉體光催化劑。本發(fā)明方法中，其中鐵酸鉍光催化劑的制備步驟1)中所述的嵌段共聚物表面活 性劑為聚氧乙烯_聚氧丙烯_聚氧乙烯嵌段共聚物P123，其分子式為PE020-PP070-PE020， 分子量為5750克/摩爾；本發(fā)明中催化劑的制備步驟1)中使用乙酸為溶劑，可以與五水硝酸鉍絡合，使水 解反應更加緩和，容易得到均勻的復合氧化物溶膠；
本發(fā)明中催化劑的制備步驟5)中，鐵鉍復合氧化物凝膠于400 550°C的馬弗爐 內(nèi)高溫焙燒3小時，脫除嵌段共聚體表面活性劑，并使鐵酸鉍進一步晶化。本發(fā)明提供的光催化劑的活性可用如下方法進行測量準確稱取0. 05 0. 1克鐵酸鉍光催化劑，然后將其加入到200毫升初始濃度為 10 30毫克/升的有機物水溶液中，在黑暗條件下超聲30分鐘使催化劑完全分散，磁力攪 拌15分鐘達到吸附平衡，打開氙燈(模擬太陽光譜，500瓦)進行光催化反應，光催化反應 過程中磁力攪拌以使反應液均勻，反應液的溫度通過水浴保持恒溫，每20分鐘取樣，高速 離心去除催化劑；溶液的濃度在紫外-可見分光光度計(Varian，Cary50型)上進行分析， 降解率(％) = (1-有機物殘留濃度/有機物初始濃度)X 100%。本發(fā)明提供的鐵酸鉍光催化劑的制備方法具有如下優(yōu)點1.具有多孔結(jié)構(gòu)，能夠充分與有機污染物接觸，顆粒度大，容易回收利用，不易對 環(huán)境造成二次污染；2.以氙燈為光源，無需外加氧化劑和助劑，可以高效的降解水中有機污染物；3.催化劑制備方法簡單，反應條件溫和，催化活性高，合成所需儀器設備簡單，利 于工業(yè)化推廣；4.催化劑的制備具有很好的可重復性，工藝周期短，節(jié)省能源。


圖1為鐵酸鉍光催化劑在不同放大倍數(shù)下的掃描電子顯微鏡圖像；其中，圖1(a) 為鐵酸鉍放大500倍掃描電子顯微鏡圖像；圖1 (b)為鐵酸鉍放大5000倍掃描電子顯微鏡 圖像；圖2為鐵酸鉍光催化劑的X射線衍射譜圖；圖3為鐵酸鉍粉體光催化劑降解中性紅過程中的紫外-可見光吸收光譜隨時間的變化。
具體實施例方式實施例1稱取9. 2克P123嵌段共聚體表面活性劑，在攪拌狀態(tài)下將其溶解于100毫升 乙酸(CH3COOH)溶液中形成濃度為0. 016摩爾/升的溶液，隨后稱取34克五水硝酸鉍 (Bi(NO3)3 · 5H20)加入到上述溶液中，溶解完全后，加入2. 36克硝酸鐵(Fe (NO3)3 · 9H20)， 此時硝酸鉍和硝酸鐵的摩爾比為12 1 ；通過磁力攪拌，使原料完全溶解，成為均勻的溶 膠；在攪拌狀態(tài)下，將該溶膠在室溫下陳化3小時，得到褐色前驅(qū)體溶液；將前驅(qū)體溶液轉(zhuǎn) 移至具有聚四氟乙烯內(nèi)襯的不銹鋼反應釜中，填充度為80%，密封反應釜，并將反應釜置于 150°C的電熱恒溫鼓風干燥箱內(nèi)晶化24小時，使其充分反應；自烘箱內(nèi)取出反應釜，將其放 入冷卻水中快速急冷至室溫；之后開啟反應釜，取出復合氧化物凝膠沉淀過濾，用去離子水 反復沖洗所得的沉淀物，在120°C下蒸發(fā)烘干，得到前軀體粉末；最后將所得的前驅(qū)體粉末 在550°C的馬弗爐中焙燒3小時，即得紅褐色鐵酸鉍光催化劑，記為樣品a。實施例2稱取9. 2克P123嵌段共聚體表面活性劑，在攪拌狀態(tài)下將其溶解于100毫升
5乙酸(CH3COOH)溶液中形成濃度為0. 016摩爾/升的溶液，隨后稱取34克五水硝酸鉍 (Bi(NO3)3 · 5H20)加入到上述溶液中，溶解完全后，加入2. 36克硝酸鐵(Fe (NO3)3 · 9H20)， 此時硝酸鉍和硝酸鐵的摩爾比為12 1 ；通過磁力攪拌，使原料完全溶解，成為均勻的溶 膠；在攪拌狀態(tài)下，將該溶膠在室溫下陳化3小時，得到褐色前驅(qū)體溶液；將前驅(qū)體溶液轉(zhuǎn) 移至具有聚四氟乙烯內(nèi)襯的不銹鋼反應釜中，填充度為80%，密封反應釜，并將反應釜置于 120°C的電熱恒溫鼓風干燥箱內(nèi)晶化24小時，使其充分反應；自烘箱內(nèi)取出反應釜，將其放 入冷卻水中快速急冷至室溫；之后開啟反應釜，取出復合氧化物凝膠沉淀過濾，用去離子水 反復沖洗所得的沉淀物，在120°C下蒸發(fā)烘干，得到前軀體粉末；最后將所得的前驅(qū)體粉末 在400°C的馬弗爐中焙燒3小時，即得紅褐色鐵酸鉍光催化劑，記為樣品b。實施例3稱取4. 6克P123嵌段共聚體表面活性劑，在攪拌狀態(tài)下將其溶解于100毫升 乙酸(CH3COOH)溶液中形成濃度為0. 008摩爾/升的溶液，隨后稱取34克五水硝酸鉍 (Bi (NO3)3 ·5Η20)加入到上述溶液中，溶解完全后，加入2. 36克硝酸鐵(Fe (NO3) 3 · 9Η20)，通 過磁力攪拌，使原料完全溶解，成為均勻的溶膠；在攪拌狀態(tài)下，將該溶膠在室溫下陳化3 小時，得到褐色前驅(qū)體溶液；將前驅(qū)體溶液轉(zhuǎn)移至具有聚四氟乙烯內(nèi)襯的不銹鋼反應釜中， 填充度為80%，密封反應釜，并將反應釜置于130°C電熱恒溫鼓風干燥箱內(nèi)晶化24小時，使 其充分反應；自烘箱內(nèi)取出反應釜，將其放入冷卻水中快速急冷至室溫；之后開啟反應釜， 取出復合氧化物凝膠沉淀過濾，用去離子水反復沖洗所得的沉淀物，在130°C下蒸發(fā)烘干， 得到前軀體粉末，最后將所得的前驅(qū)體粉末在450°C的馬弗爐中焙燒3小時，即得鐵酸鉍光 催化劑，記為樣品C。實施例4稱取2. 3克P123嵌段共聚體表面活性劑，在攪拌狀態(tài)下將其溶解于100毫升 乙酸(CH3COOH)溶液中形成濃度為0. 004摩爾/升的溶液，隨后稱取34克五水硝酸鉍 (Bi(NO3)3 · 5H20)加入到上述溶液中，溶解完全后，加入2. 36克硝酸鐵(Fe (NO3)3 · 9H20)， 通過磁力攪拌，使原料完全溶解，成為均勻的溶膠；在攪拌狀態(tài)下，將該溶膠在室溫下陳化 3小時，得到褐色前驅(qū)體溶液；將前驅(qū)體溶液轉(zhuǎn)移至具有聚四氟乙烯內(nèi)襯的不銹鋼反應釜 中，填充度為80%，密封反應釜，并將反應釜置于140°C的電熱恒溫鼓風干燥箱內(nèi)晶化24小 時，使其充分反應；自烘箱內(nèi)取出反應釜，將其放入冷卻水中快速急冷至室溫；之后開啟反 應釜，取出復合氧化物凝膠沉淀過濾，用去離子水反復沖洗所得的沉淀物，在140°C下蒸發(fā) 烘干，得到前軀體粉末，最后將所得的前驅(qū)體粉末在500°C的馬弗爐中焙燒3小時，即得鐵 酸鉍光催化劑，記為樣品d。實施例5稱取2. 3克P123嵌段共聚體表面活性劑，在攪拌狀態(tài)下將其溶解于100毫升 乙酸(CH3COOH)溶液中形成濃度為0. 004摩爾/升的溶液，隨后稱取34克五水硝酸鉍 (Bi (NO3)3- 5H20)加入到上述溶液中，溶解完全后，加入2. 36克硝酸鐵(Fe (NO3)3 · 9H20)，通 過磁力攪拌，使原料完全溶解，成為均勻的溶膠；在攪拌狀態(tài)下，將該溶膠在室溫下陳化3 小時，得到褐色前驅(qū)體溶液；將前驅(qū)體溶液轉(zhuǎn)移至具有聚四氟乙烯內(nèi)襯的不銹鋼反應釜中， 填充度為80%，密封反應釜，并將反應釜置于150°C的電熱恒溫鼓風干燥箱內(nèi)晶化24小時， 使其充分反應；自烘箱內(nèi)取出反應釜，將其放入冷卻水中快速急冷至室溫；之后開啟反應
6釜，取出復合氧化物凝膠沉淀過濾，用去離子水反復沖洗所得的沉淀物，在150°C下蒸發(fā)烘 干，得到前軀體粉末，最后將所得的前驅(qū)體粉末在500°C的馬弗爐中焙燒3小時，即得鐵酸 鉍光催化劑，記為樣品e。選取催化劑a分別應用于不同的光催化反應中，活性結(jié)果實例如下反應1 稱取0. 05克催化劑a，將其加入到200毫升濃度為10毫克/升的中性紅 水溶液中，在黑暗條件下超聲30分鐘使催化劑完全分散，磁力攪拌15分鐘達到吸附平衡， 打開氙燈(模擬太陽光譜，500瓦)進行光催化反應，光催化反應過程中磁力攪拌以使反應 液均勻，反應液的溫度通過水浴保持恒溫。每隔20分鐘取樣，高速離心去除催化劑，取上 清液在紫外-可見分光光度計(Varian，Cary50)上進行分析。中性紅2小時的降解率為 83. 7%。反應2 稱取0. 1克催化劑a，將其加入到200毫升濃度為10毫克/升的中性紅水 溶液中，余者同反應1。中性紅2小時的降解率為92. 6%。反應3 稱取0. 05克催化劑a，將其加入到200毫升濃度為20毫克/升的中性紅 水溶液中，余者同反應1。中性紅2小時的降解率為70. 6%。反應4 稱取0. 1克催化劑a，將其加入到200毫升濃度為20毫克/升的中性紅水 溶液中，余者同反應1。中性紅2小時的降解率為80. 3%。反應5 稱取0. 1克催化劑a，將其加入到200毫升濃度為30毫克/升的中性紅水 溶液中，余者同反應1。中性紅2小時的降解率為73. 2%。
權利要求
一種用于降解水中有機污染物的具有高催化活性、大顆粒尺寸、具有多孔結(jié)構(gòu)的鐵酸鉍光催化劑的制備步驟包括1)前驅(qū)溶液的制備將五水硝酸鉍溶解在0.008～0.016摩爾/升的嵌段共聚體表面活性劑的乙酸溶液中，形成硝酸鉍濃度為0.7摩爾/升的溶液；硝酸鉍和硝酸鐵的摩爾比為12∶1，將硝酸鐵加入到硝酸鉍的溶液中，充分攪拌，得到褐色前驅(qū)體溶液；2)水熱合成將前驅(qū)體溶液在室溫下陳化3小時后，將其轉(zhuǎn)移到具有聚四氟乙烯內(nèi)襯的不銹鋼高壓釜中，填充度為80％，密封反應釜，并將反應釜置于120～160℃電熱恒溫鼓風干燥箱內(nèi)密閉晶化24～48小時，使其充分反應；3)冷卻反應釜從電熱恒溫鼓風干燥箱中取出反應釜，將其放入冷水中快速冷卻至室溫；4)過濾和干燥取出晶化產(chǎn)物鉍鐵復合氧化物進行過濾，用去離子水反復沖洗所得的沉淀物，然后在120～150℃的電熱恒溫鼓風干燥箱內(nèi)干燥，得到鐵酸鉍粉體的前驅(qū)體；5)高溫煅燒將前驅(qū)體粉末于400～550℃的馬弗爐內(nèi)高溫焙燒3小時后，冷卻，研磨，即得鐵酸鉍粉體光催化劑。
2.根據(jù)權利要求1中所述的鐵酸鉍光催化劑的制備方法，其特征在于鐵酸鉍光催 化劑的制備步驟1)中所述的嵌段共聚物表面活性劑為P123，其為一種聚氧乙烯-聚氧丙 烯-聚氧乙烯嵌段聚醚共聚物。
3.如權利要求2所述的光催化劑的制備方法，其中所述的P123的分子式為 PE020-PP070-PE020，分子量為 5750 克 / 摩爾。
4.根據(jù)權利要求1中所述的方法，其特征在于光催化劑鐵酸鉍的制備步驟1)中使用 乙酸為溶劑，可以與五水硝酸鉍絡合，使水解反應更加緩和，容易得到均勻的復合氧化物溶 膠。
5.根據(jù)權利要求1中所述的方法，其特征在于光催化劑鐵酸鉍的制備步驟5)中，其 中鐵鉍復合氧化物凝膠于400 550°C的馬弗爐內(nèi)高溫焙燒3小時，脫除嵌段共聚體表面活 性劑，并使鐵酸鉍進一步晶化。
全文摘要
本發(fā)明屬于環(huán)境科學與工程學領域，具體為一種能夠利用光催化技術高效降解水中有機污染物的鐵酸鉍光催化劑的制備方法。該方法采用溶劑熱法合成光催化劑鐵酸鉍，合成時硝酸鉍與硝酸鐵的摩爾比為12∶1，采用氙燈為光源，然后將鐵酸鉍與不同濃度的中性紅溶液充分混合以光催化降解水溶液中的中性紅染料。本發(fā)明提供了一種高效去除水中中性紅染料的方法，該方法可在2小時內(nèi)去除水中70％以上的中性紅染料(濃度范圍為10～30毫克/升)；且光催化劑的制備過程簡單，顆粒尺寸大，易于回收利用；方法操作容易，成本低廉，高效省時，具有很好的工業(yè)化應用前景。
文檔編號C02F1/30GK101890354SQ20101023760
公開日2010年11月24日 申請日期2010年7月27日 優(yōu)先權日2010年7月27日
發(fā)明者包月平, 李陽, 牛軍峰, 王文龍 申請人:北京師范大學