CN108786859A - 一种碳掺杂碘氧铋碘酸氧铋异质结构的制备方法 - Google Patents

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纪政
赵丽丽
何平
王志楚
钱健港
关昱
凌杨
田玉琢
张会
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Abstract

本发明提供了一种碳掺杂碘氧铋碘酸氧铋异质结构的制备方法,将Bi(NO3)3·5H2O加入到去离子水中,持续搅拌;将KIO3溶于上述混合液体中,并持续磁力搅拌,得到另一混合液体;将碳源溶于另一混合液体中,并持续磁力搅拌至溶解;将上述溶液放置于水热反应釜中,140‑170℃的温度下水热6‑12h,得到产物;将得到的产物用去离子水和无水乙醇分别洗涤2~5次获得样品;将样品在烘箱中70~85℃条件下烘干;在200℃~400℃条件下,在马弗炉中将烘干后的所得物煅烧2h,反应完成后,自然冷却至室温,得到的产物。本发明的碳掺杂BiOI/BiOIO3异质结构催化剂具有很强的吸附和催化性能。

Description

一种碳掺杂碘氧铋碘酸氧铋异质结构的制备方法
技术领域
本发明属于无机催化材料领域,涉及一种催化剂,具体来说是一种碳掺杂BiOI/BiOIO3异质结构的制备方法。
背景技术
能源是国家经济发展的基础,煤炭作为我国最重要的基础能源,长期以来,在国民经济生活中占据非常重要的战略地位。目前煤炭消耗量约占一次能源的70%左右,由于我国是以煤炭为主要能源的国家,这就决定了以煤炭为主要发电能源的格局。但是随着火力发电厂的相继产生,煤炭燃烧所排放的氮氧化物、硫氧化物、粉尘以及汞等污染物已经对我们的生态环境形成了严重的危害,这一现象已经成为制约人类可持续发展的主要因素之一。
煤炭主要是通过燃烧的方式得以利用,而在其燃烧的过程中不可避免的会产生各种污染物,对燃煤产生的污染物进行控制一直得到各国的广泛关注。大气中的主要污染物硫氧化物、氮氧化物、二氧化碳、烟尘颗粒物、有机物以及微量元素的主要来源都是煤的燃烧,这些污染物的排放形势日益严峻,给环境保护带来了巨大的压力,并对人类健康和生态环境造成了不可逆转的损害。
在众多的燃煤污染物中,人们对微量元素的释放规律和控制机制的研究和认识尚不深入。其中微量元素汞具有较强的挥发性,停留时间长和生物累积性等特点,它已经被广泛认为全球性污染物。由于燃煤汞污染问题严重性,近年来被世界公认为继燃煤硫污染后另一重大污染问题,特别是燃煤电站汞排放控制已成为全球研究工作者研究的热点。
燃烧过程中扩散进入大气的汞主要形态有3种:零价单质汞(Hg0),二价离子汞(Hg2 +)和颗粒态汞(Hgp)。二价离子汞可以溶于水,因此能有效的被湿法烟气脱硫***(WFGD)脱除。而颗粒汞可以被除尘器捕捉,例如静电除尘器(ESP)或袋式除尘器(FF)。然而零价汞既不溶于水也不容易吸附,在大气中可以存在1-2年,它们不能被微生物降解,不断富集在人体内,并转化为剧毒的金属有机化合物,对人类的身体健康造成直接或间接的危害。
光催化氧化脱汞技术通过紫外光源(一般波长为365nm)照射,利用光催化剂的光催化氧化活性,催化氧化零价汞,达到脱除燃煤烟气汞的目的。
光催化剂的物理与化学性质对催化反应有着决定性的影响,现在常用的TiO2尽管具有如此多的优点,但是其缺点也是不可忽视的:一是电子-空穴对复合率高,二是由于其较大的禁带宽度无法利用可见光进行光催化。因此,为了能够充分利用太阳能,开发能够在可见光下光催化氧化,结构和性能都稳定的新型光催化剂成为光催化研究的一个新热点。
目前,一些含铋元素的复合氧化物光催化剂(简称铋基光催化剂)越来越多的受到人们的关注,因为铋基光催化剂的禁带宽度一般较窄,能够在可见光的驱动下进行光催化氧化反应,从而成为非常具有潜力的可见光光催化剂。
碳掺杂通过在BiOIO3价带上方形成杂质能级而缩小禁带宽度,同时碳掺杂能够吸收光子激发并转移光生电子到BiOIO3和BiOI的导带上,有利于提高光催化活性。BiOI和BiOIO3的异质结构有利于光生电子-空穴对分离,碳掺杂BiOI/BiOIO3在可见光条件下脱汞实验中展现了较高的光催化活性。在污染物控制方面尤其是脱汞上有着潜在的应用前景。
发明内容
针对现有技术中的上述技术问题,本发明提供了一种碳掺杂碘氧铋碘酸氧铋异质结构的制备方法,所述的这种碳掺杂碘氧铋碘酸氧铋异质结构的制备方法要解决现有技术中的催化剂脱除燃煤烟气汞的技术效果不佳的技术问题。
本发明提供了一种碳掺杂碘氧铋碘酸氧铋异质结构的制备方法,包括以下步骤:
1)将Bi(NO3)3·5H2O加入到去离子水中,获得浓度为125mmol/L的溶液,并持续磁力搅拌,得到混合液体;
2)将KIO3溶于步骤1)的混合液体中,获得浓度为125mmol/L的溶液,并持续磁力搅拌,得到另一混合液体;
3)将碳源溶于步骤2)的混合液体中,碳源和Bi(NO3)3·5H2O的摩尔比为3:100,并持续磁力搅拌至溶解;
4)将上述溶液放置于水热反应釜中,140-170℃的温度下水热6-12h,得到产物;
5)将步骤4)得到的产物用去离子水和无水乙醇分别洗涤2~5次;
6)将步骤5)的样品在烘箱中70~85℃条件下烘干;
7)在200℃~400℃条件下,在马弗炉中将步骤6)所得物煅烧2h,反应完成后,自然冷却至室温,得到的产物。
进一步的,所述的碳源为葡萄糖。
本发明还提供了上述方法制备获得的碳掺杂碘氧铋碘酸氧铋异质结构在光催化脱汞中的应用。
本发明的碳掺杂BiOI/BiOIO3异质结构催化剂,可以克服催化反应中使用传统钛基光催化剂所带来的各种弊端,如电子-空穴对复合率高,由于其较大的禁带宽度无法利用可见光进行光催化等,能更为有效地降低污染物汞的排放。本发明采用煅烧法合成碳掺杂BiOI/BiOIO3异质结构,其制备工艺简单、成本低廉、且重复性高。
本发明与现有技术相比,其技术进步是显著的。本发明的碳掺杂BiOI/BiOIO3异质结构催化剂具有很强的吸附和催化性能,本发明的制备工艺简单、成本低廉、且重复性高,社会经济效益显著。本发明通过优化制备工艺条件,最终可以得到高质量的碳掺杂BiOI/BiOIO3异质结构复合材料,该类材料能有效地减少污染物汞的排放,具有潜在的应用前景。
附图说明
图1为实施例1得到的碳掺杂BiOI/BiOIO3的高分辨率的透射电镜(HRTEM)图。
图2为实施例2得到的纯BiOIO3和碳掺杂BiOI/BiOIO3的光催化脱汞效率图。
具体实施方式
实施例1
一种碳掺杂BiOI/BiOIO3异质结构的制备方法,BiOI和BiOIO3的异质结构有利于光生电子-空穴对分离,并且在可见光条件下脱汞实验中展现了较高的光催化活性;
该催化剂的制备方法包括以下步骤:
(1)将0.485g的Bi(NO3)3·5H2O加入到80ml的去离子水中,并持续磁力搅拌20min,得到混合液体;
(2)将0.214g的KIO3溶于上述混合液体中,并持续磁力搅拌2h,得到混合液体;
(3)将0.0054g葡萄糖溶于步骤(2)的混合液体中,并持续磁力搅拌1h;
(4)将上述溶液放置于水热反应釜中,160℃的温度下水热6h,得到产物;
(5)将步骤(4)得到的产物用去离子水和无水乙醇分别洗涤三次;
(6)样品在烘箱中80℃条件下烘干12h;
(7)在300℃条件下,在马弗炉中将步骤(6)所得物煅烧2h,反应完成后,自然冷却至室温,得到的产物,反应完成后,自然冷却至室温,得到碳掺杂BiOI/BiOIO3异质结构催化剂。
制备的碳掺杂BiOI/BiOIO3异质结构催化剂,碳源为葡萄糖,葡萄糖的质量为0.0054g。碳掺杂BiOI/BiOIO3异质结构催化剂用于污染物排放控制(光催化脱汞)。
图1为实施例1得到的碳掺杂BiOI/BiOIO3的高分辨率的透射电镜(HRTEM)图,可见,已形成碳掺杂BiOI/BiOIO3异质结构。
实施例2
一种碳掺杂BiOI/BiOIO3异质结构的制备方法,BiOI和BiOIO3的异质结构有利于光生电子-空穴对分离,并且在可见光条件下脱汞实验中展现了较高的光催化活性;
该催化剂的制备方法包括以下步骤:
(1)称取0.02g实施例1中所得的碳掺杂BiOI/BiOIO3异质结构催化剂溶于5ml去离子水中,超声后均匀喷涂在玻璃片上,80℃烘干10min;
(2)将9W的LED灯置于玻璃片上方10cm处,打开光催化脱汞台架主路,关闭旁路;
(3)黑暗中待汞浓度稳定后,打开9W的LED灯,待汞浓度稳定后保存数据并关闭LED灯;
(4)称取0.02g纯BiOIO3重复前三次实验步骤。
图2为实施例2所得结果,由图可以看出本发明方法制备的光催化剂和纯BiOIO3相比,光催化脱汞效率上升了24%。

Claims (3)

1.一种碳掺杂碘氧铋碘酸氧铋异质结构的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
1)将Bi(NO3)3·5H2O加入到去离子水中,获得浓度为125mmol/L的溶液,并持续磁力搅拌,得到混合液体;
2)将KIO3溶于步骤1)的混合液体中,获得浓度125mmol/L的溶液,并持续磁力搅拌,得到另一混合液体;
3)将碳源溶于步骤2)的混合液体中,碳源和Bi(NO3)3·5H2O的摩尔比为3:100,并持续磁力搅拌至溶解;
4)将上述溶液放置于水热反应釜中,140-170℃的温度下水热6-12h,得到产物;
5)将步骤4)得到的产物用去离子水和无水乙醇分别洗涤2~5次;
6)将步骤5)的样品在烘箱中70~85℃条件下烘干;
7)在200℃~400℃条件下,在马弗炉中将步骤6)所得物煅烧2h,反应完成后,自然冷却至室温,得到的产物。
2.根据权利要求1所述的一种碳掺杂碘氧铋碘酸氧铋异质结构的制备方法,其特征在于,所述的碳源为葡萄糖。
3.权利要求1所述的方法制备获得的碳掺杂碘氧铋碘酸氧铋异质结构在光催化脱汞中的应用。
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