CN106179425A - 一种光催化薄膜材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光催化领域，具体涉及一种光催化薄膜材料及其制备方法。光催化剂薄膜材料为原位生长于基体表面的呈片状结构的BiOI薄膜材料。其制备过程采用原位生长法，制备的BiOI材料可以很好的附着于铁基体表面形成一层具有可见光催化活性的薄膜材料。本发明的制备方法工艺简单、易于操控、成本低廉，构建了具有可见光催化效应的BiOI片状膜层结构，在水体净化和海洋防污等领域具有潜在的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光催化领域，具体涉及一种光催化薄膜材料及其制备方法。
背景技术
随着人类社会文明的发展，人类对原有自然界生态的影响越来越大，在过度开发利用自然资源时造就了一系列环境问题。其中水资源匮乏、水体污染在随着全球社会经济的发展进程中日益突出。因此污水治理就显得尤为重要。在众多的污水处理工艺中，光催化氧化降解技术，由于其具有高效、无选择性、稳定性高、绿色无毒、无二次污染、能耗低、操作简便和低成本等突出优点。
自1972年日本科学家Fujishima和Honda首次报道TiO2在紫外光照下可以光解水产生氢气和氧气以来[1]，半导体光催化技术受到了越来越多的关注。对于半导体材料来说，它们可以在光照条件下产生电子-空穴对，部分电子、空穴可以迁移到半导体表面与水环境中的O2、OH-等反应生成化学氧化活性很强的自由基。这些自由基、光生电子和空穴可以直接与待降解反应物发生作用并将其氧化分解，达到光催化降解有机污染物的效果。
近年来，人们对开发新型的可见光催化剂做了大量研究，其中作为新型可见光响应的光催化剂，BiOX(X＝Cl，Br，I)铋系化合物由于[Bi2O2]2+与卤素层之间较强的内建电场的存在[2]，显著提高了电子-空穴对的分离效率，显现出较高的催化活性而备受关注。
自2006年，Zhang等[3]用水热法制备了BiOCl粉体材料首次开发出了卤氧化物在光催化领域的应用后，BiOI因其较窄的禁带宽度(约1.8eV)能被可见光激发并在可见光下显现出较高的催化活性，从而作为一种新型可见光催化材料引起了越来越多的关注[4]。在采用不同合成方法条件下各种不同形貌的BiOI也被相继成功制备，比如常用的水热法、溶剂热法、微波水热法、声化学法等等。但这些方法制备出来BiOI大多是粉体形式的纳米材料。由于粉体材料在具体的工业运用中，普遍存在回收困难、重复利用率差等缺点。所以实现光催化剂的固载化，提高材料与预处理水体的分离效率是光催化污水工业运用推广中难以回避的问题。
[1]A.Fujishima,Nature,238(1972)37-38.
[2]R.Hao,X.Xiao,X.Zuo,J.Nan,W.Zhang,J Hazard Mater,209–210(2012)137-145.
[3]K.-L.Zhang,C.-M.Liu,F.-Q.Huang,C.Zheng,W.-D.Wang,Applied CatalysisB:Environmental,68(2006)125-129.
[4]J.Li,Y.Yu,L.Zhang,Nanoscale,6(2014)8473-8488.
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题，提供一种光催化薄膜材料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实施：
一种光催化剂薄膜材料，光催化剂薄膜材料为原位生长于基体表面的呈片状结构的BiOI薄膜材料。
所述片状结构的长度为0.8～2.0μm，厚度为20～60nm。
一种光催化剂薄膜材料的制备方法，将Bi(NO3)3·5H2O分散于过量的乙二醇中并加入表面活性剂，随后加入与Bi(NO3)3·5H2O等摩尔量的KI水溶液，待两者混合均匀后转移至反应釜(反应釜内衬为Teflon)中，然后将经预处理的铁基体材料浸没于上述混合液中，100～200℃反应为2～36h，即在铁基体表面原位生长具有片状结构的BiOI薄膜材料。
所述Bi(NO3)3·5H2O分散于过量的乙二醇中采用超声分散10～60min，然后进行磁力搅拌10～60min。
所述表面活性剂为PVP，其在反应体系中的浓度范围为1～30mM。
所述Bi(NO3)3·5H2O浓度为1～50mmol/L；KI浓度为1～50mmol/L。
本发明的有益效果在于：
本发明采用原位生长法在铁基体表面制备了具有片状结构的BiOI薄膜材料。它很好的解决了BiOI光催化材料的固载化难题，提高了光催化材料与预处理水体的分离效率。。与普遍采用的溶胶凝胶法所制备的BiOI薄膜材料相比，具有一次成型、操作简单的技术优势。这种片状结构的BiOI固化膜材料具有高效的光催化性能；具体：
(1)本发明采用的制备方法工艺简单，易于控制、成本低廉。
(2)制备的片状结构的BiOI光催化薄膜材料在污水处理领域具有潜在的利用价值。
附图说明
图1为本发明所制备BiOI薄膜的X-射线衍射(XRD)图谱(其中横坐标为2θ(角度)，单位为degree(度)；纵坐标为Intensity(强度)，单位为a.u.(绝对单位)。
图2为本发明所制备BiOI薄膜的扫描电子显微镜(SEM)照片。
图3为本发明所制备BiOI薄膜对罗丹明B(Rh-B)的循环降解实验，横坐标为Recycle number(循环降解次数)，纵坐标为Degradation efficiency(降解效率)单位为mg·m-2·h-1(毫克每平方米每小时)。
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明作进一步说明，有助于本领域的普通技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
本发明通过原位生长法在铁基体表面制备了具有片状结构的BiOI光催化薄膜材料。由于BiOI薄膜材料是直接在铁基体表面原位生长所得，致使BiOI薄膜材料与铁基体表面的结合力较强，保证了薄膜的结构稳定性。在可见光下表现出高效的光催化效应，在水体净化和海洋防污等领域具有很好的实用价值和潜在的应用前景。同时该单体光催化剂薄膜材料还具有成膜均一、价格低廉和重复性好等特点。
实施例1具有片状结构的BiOI光催化薄膜材料的制备方法
在水热条件下采用原位生长的方法，在铁基体表面制备具有片状结构的BiOI光催化薄膜材料，具体为：
称取1.5mmol,Bi(NO3)3·5H2O及25mmol,PVP加入到40mL乙二醇中，超声分散30min，称取1.5mmol,KI溶解于10mL,H2O中，随后将两种溶液混合均匀，并转移至80mL的Teflon材质的反应釜内村中。将事先预处理好的铁片(400目砂纸打磨，)浸没于上述混合溶液。随后将反应釜加热至180度，反应时间为24h。反应完成后，将铁片取出，依次用无水乙醇，蒸馏水冲洗干净，最后置于干燥箱中60oC干燥6h，在铁表面即得到BiOI光催化薄膜材料(参见图1和图2)。
由图1可知，所制备的BiOI呈现四方晶体结构，且XRD谱图中没有发现其他的物质的杂峰，说明所制备的BiOI纳米材料均有较高的纯度。
由图2可见，BiOI呈片状且较大部分片状材料垂直于铁基体表面，片的长度约为1.5μm，厚度约为50nm，由此可见其结晶度较高。
实施例2具有片状结构的BiOI光催化薄膜材料的制备方法
在水热条件下采用原位生长的方法，在铁基体表面制备具有片状结构的BiOI光催化薄膜材料，具体为：
称取0.5mmol Bi(NO3)3·5H2O加入到35mL乙二醇中，超声分散30min，称取0.5mmolKI溶解于10mL，H2O中，随后将两种溶液混合均匀，并转移至80mL的反应釜中。将事先预处理好的铁片(2000目砂纸打磨，)浸没于上述混合溶液。随后将反应釜加热至120℃，反应时间为36h。反应完成后，将铁片取出，依次用无水乙醇，蒸馏水冲洗干净，最后置于干燥箱中60℃干燥6h，在铁表面即得到BiOI光催化薄膜材料。
实施例3所制备的片状结构的BiOI光催化薄膜对Rh-B的循环降解。
将表面生长有BiOI光催化薄膜的铁基体裁剪成1.5×4cm的矩形方块。随后将基体放入10mL的石英试管，并加入4mL预配置好的浓度为10mg/L的Rh-B染料，置于光反应仪中，所用光源为300W的氙灯，待每次光照1h后，测定并计算Rh-B的降解效率。随后将铁基体拿出，用蒸馏水清洗后进行下一次的降解实验。为说明材料的稳定性实验共测试了材料对Rh-B的10次循环降解过程。(参见图3)
由图3可知材料具有很好的稳定性，在对Rh-B循环降解10次后还能保持很好的活性。表明其在废水处理领域具有很好的利用前景。
Claims (6)
1.一种光催化剂薄膜材料，其特征在于：光催化剂薄膜材料为原位生长于基体表面的呈片状结构的BiOI薄膜材料。
2.按权利要求1所述的光催化剂薄膜材料，其特征在于：所述片状结构的长度为0.8～2.0μm，厚度为20～60nm。
3.一种权利要求1所述的光催化剂薄膜材料的制备方法，其特征在于：将Bi(NO3)3·5H2O分散于过量的乙二醇中并加入表面活性剂，随后加入与Bi(NO3)3·5H2O等摩尔量的KI水溶液，待两者混合均匀后转移至反应釜中，然后将经预处理的铁基体材料浸没于上述混合液中，100～200℃反应为2～36h，即在铁基体表面原位生长具有片状结构的BiOI薄膜材料。
4.按权利要求3所述的光催化剂薄膜材料的制备方法，其特征在于：所述Bi(NO3)3·5H2O分散于过量的乙二醇中采用超声分散10～60min，然后进行磁力搅拌10～60min。
5.按权利要求3所述的光催化剂薄膜材料的制备方法，其特征在于：所述表面活性剂为PVP，其在反应体系中的浓度范围为1～30mM。
6.按权利要求3所述的光催化剂薄膜材料的制备方法，其特征在于：所述Bi(NO3)3·5H2O浓度为1～50mmol/L；KI浓度为1～50mmol/L。
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