CN114011404A - 可见光响应三硫化二锑和Pd掺杂碳酸氧铋三元光催化剂的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光催化剂技术领域,公开了一种可见光响应三硫化二锑和Pd掺杂碳酸氧铋三元光催化剂的制备方法,首先通过水热法制备Sb2S3,然后将其加入制备片状(BiO)2CO3的前驱液中原位水热合成(BiO)2CO3@Sb2S3混合物,接着将(BiO)2CO3@Sb2S3混合物超声分散于去离子水,加入碳酸钠调节溶液pH,再在一定的温度下依次加入H2PdCl4、NaBH4溶液,即可得到目标产物可见光响应(BiO)2CO3@Sb2S3@Pd三元光催化剂。本发明充分发挥碳酸氧铋、三硫化二锑和钯之间的协同作用,通过引入能利用可见光波段的三硫化二锑增强碳酸氧铋的可见光响应,减少贵金属的使用。
Description
技术领域
本发明属于无机纳米复合材料制备领域,涉及一种可见光响应三硫化二锑和Pd掺杂碳酸氧铋三元光催化剂的制备方法及应用。
背景技术
有机染料废水污染是当前环境领域面临的重大挑战。由于碳酸氧铋((BiO)2CO3)独特的电子结构、良好吸附性能和光催化氧化还原方面的性能,所以在降解有机染料等方面具有很大的发展前景和重要的研究价值。然而,纯(BiO)2CO3材料的带宽为3.1~3.5eV,导致其无法利用丰富的可见光。因而,研究者通过掺杂贵金属来提高(BiO)2CO3的可见光光催化性能。例如,专利CN112138693A公开了一种花状Au/(BiO)2CO3/Bi2O3光催化剂的制备方法,其在可见光下具有很好的光催化活性。Tian等人在(BiO)2CO3光催化剂中引入贵金属Ag来提高其光催化活性。结果表明,当AgCl与(BiO)2CO3质量比为1:4时,催化活性最高,180min对亚甲基蓝的降解可达89%(田玲,吴汉,福蒋玲.化工管理.2020,32:51-52)。上述研究通过在(BiO)2CO3中引入Au、Ag等贵金属提高了催化剂的活性,但是贵金属的使用在一定程度上增加了光催化剂的成本,限制了其进一步应用。为了克服现有技术中的不足,本发明提出了一种可见光响应(BiO)2CO3@Sb2S3@Pd三元光催化剂的制备方法,能够利用Sb2S3、Pd、(BiO)2CO3之间的协同作用,将其催化活性拓展到可见光波段,同时Sb2S3的引入能减少贵金属Pd的使用。该技术方法简单、成本低廉。
发明内容
本发明的目的在于提供一种方法简单、成本低廉的方法制备可见光响应(BiO)2CO3@Sb2S3@Pd三元光催化剂,通过引入能利用可见光波段的Sb2S3增强(BiO)2CO3的可见光响应同时减少贵金属Pd的使用,降低催化剂成本。
本发明目的是这样实现的:一种可见光响应三硫化二锑和Pd掺杂碳酸氧铋三元光催化剂的制备方法,首先通过水热法制备Sb2S3,然后将其加入制备片状(BiO)2CO3的前驱液中原位水热合成(BiO)2CO3@Sb2S3混合物,接着将(BiO)2CO3@Sb2S3混合物超声分散于去离子水,加入碳酸钠调节溶液pH,再在一定的温度下依次加入H2PdCl4、NaBH4溶液,即可得到目标产物可见光响应(BiO)2CO3@Sb2S3@Pd三元光催化剂,其中Pd的质量为(BiO)2CO3质量的1-5%,Sb2S3的质量为(BiO)2CO3质量的1-5%。
进一步优选,所述Sb2S3的制备过程为:将三氯化锑完全溶于去离子水,接着加入Na2S2O3·5H2O继续搅拌,溶液逐渐由浅黄色变成橙黄色,然后将溶液转移至反应釜中反应,冷却、过滤,经水洗、醇洗后真空干燥即可得到Sb2S3粉末。
进一步优选,所述(BiO)2CO3@Sb2S3混合物的合成过程为:取一定量的五水合硝酸铋、稀硝酸,经超声分散后得到透明溶液,再加入柠檬酸,搅拌后得澄清透明溶液,然后不断搅拌并按需调节pH,再向其加入去离子水定容,搅拌后向溶液中加入一定量的Sb2S3,继续搅拌后放入反应釜中反应一段时间,冷却、过滤,经水洗、醇洗后,真空干燥得到片状(BiO)2CO3@Sb2S3混合物。
进一步优选,Sb2S3的质量为0.0038-0.0192g。
进一步优选,合成片状(BiO)2CO3@Sb2S3混合物的反应温度为200℃。
进一步优选,取片状(BiO)2CO3@Sb2S3混合物加入去离子水超声分散,并加入碳酸钠溶液并按需调节溶液的pH,然后向锥形瓶中加入一定体积的H2PdCl4溶液反应,同时加入一定体积的NaBH4溶液将H2PdCl4还原为Pd,待溶液冷却后,经水洗、醇洗、真空干燥得到(BiO)2CO3@Sb2S3@Pd混合物。
进一步优选,H2PdCl4的浓度为50mmol/L,体积为0.8-4mL。
进一步优选,NaBH4的浓度为300mmol/L,体积为0.8-4mL。
进一步优选,加入H2PdCl4溶液后,35℃恒温反应3h后再将溶液升温至95℃,同时加入NaBH4溶液,并在95℃下保温30min。
一种可见光响应三硫化二锑和Pd掺杂碳酸氧铋三元光催化剂的应用,在可见光照射下用于对染料废水进行降解。
本发明的有益效果:充分发挥(BiO)2CO3、Sb2S3和Pd之间的协同作用,制备一种方法简单、成本低廉的三元催化剂,同时通过引入能利用可见光波段的Sb2S3增强(BiO)2CO3的可见光响应,减少贵金属Pd的使用并降低催化剂成本。
附图说明
图1为不同放大倍数下(BiO)2CO3@Sb2S3@Pd的TEM图。
图2为(BiO)2CO3@Sb2S3@Pd的SEM图。
图3为(BiO)2CO3@Sb2S3@Pd的X-射线能谱分析。
图4-10为(BiO)2CO3@Sb2S3@Pd的X-射线能谱mapping分析。
图11为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明,但本发明并不局限于如下的实施例。
本发明涉及一种可见光响应(BiO)2CO3@Sb2S3@Pd三元光催化剂的制备方法,具体步骤如下:
步骤1:将0.57g三氯化锑溶于60mL去离子水中,并搅拌15min后变成乳白色溶液,接着加入1.24gNa2S2O3·5H2O继续搅拌30min,溶液逐渐由浅黄色变成橙黄色,然后将溶液转移至反应釜中180℃反应24h,冷却、过滤,经水洗、醇洗各3次后,放入80℃真空烘箱中干燥6h得到Sb2S3粉末。
步骤2:取0.72g五水合硝酸铋于50mL烧杯中,加入5mL稀硝酸(5mol/L),经超声分散后得到透明溶液,再向溶液中加入0.21g柠檬酸,搅拌10min后得一澄清透明溶液,然后不断搅拌并调节pH至7-8,再向其加入去离子水至溶液体积为50mL,搅拌10min后向溶液中加入一定量的Sb2S3,继续搅拌1h后放入反应釜中200℃反应24h,冷却、过滤,经水洗、醇洗各3次后,放入50℃真空烘箱中干燥5h得到片状(BiO)2CO3@Sb2S3混合物。
步骤3:取0.39g片状(BiO)2CO3@Sb2S3混合物于250mL锥形瓶中,向其中加入250mL去离子水,超声分散1小时后,向其中加入碳酸钠溶液并调节溶液的pH至9-10,然后向锥形瓶中加入一定体积的H2PdCl4(50mmol/L)溶液,35℃恒温反应3h后将溶液升温至95℃,同时加入一定体积的NaBH4溶液,并在95℃下保温30min,待溶液冷却后,经水洗、醇洗各3次后,放入真空烘箱中干燥,得到(BiO)2CO3@Sb2S3@Pd混合物。
(BiO)2CO3@Sb2S3@Pd混合物模拟废水处理试验:
在常温常压下,配置80mL浓度为2*10-5mol/L的罗丹明B模拟废水试剂,加入0.08g的(BiO)2CO3@Sb2S3@Pd三元复合光催化剂,在自制光催化反应器中先暗反应曝气120min,待吸附平衡后打开300W氙灯(用滤光片滤掉420nm以下的紫外和近紫外光)光反应曝气180min,每隔60min取上清液4mL使用10000r/min的高速离心机离心5min,分层后取上清液在紫外-可见光分光光度计于553nm处测定吸光度,并计算罗丹明B的降解效率。
实施例1
步骤1:将0.57g三氯化锑溶于60mL去离子水中,并搅拌15min后变成乳白色溶液,接着加入1.24gNa2S2O3·5H2O继续搅拌30min,溶液逐渐由浅黄色变成橙黄色,然后将溶液转移至反应釜中180℃反应24h,冷却、过滤,经水洗、醇洗各3次后,放入80℃真空烘箱中干燥6h得到Sb2S3粉末。
步骤2:取0.72g五水合硝酸铋于50mL烧杯中,加入5mL稀硝酸(5mol/L),经超声分散后得到透明溶液,再向溶液中加入0.21g柠檬酸,搅拌10min后得一澄清透明溶液,然后不断搅拌并调节pH至7-8,再向其加入去离子水至溶液体积为50mL,搅拌10min后向溶液中加入0.0038g的Sb2S3,继续搅拌1h后放入反应釜中200℃反应24h,冷却、过滤,经水洗、醇洗各3次后,放入50℃真空烘箱中干燥5h得到片状(BiO)2CO3@Sb2S3混合物。
步骤3:取0.39g片状(BiO)2CO3@Sb2S3混合物于250mL锥形瓶中,向其中加入250mL去离子水,超声分散1小时后,向其中加入碳酸钠溶液并调节溶液的pH至9-10,然后向锥形瓶中加入4mL的H2PdCl4(50mmol/L)溶液,35℃恒温反应3h后将溶液升温至95℃,同时加入4mL的NaBH4(300mmol/L)溶液,并在95℃下保温30min,待溶液冷却后,经水洗、醇洗各3次后,放入真空烘箱中干燥,得到(BiO)2CO3@Sb2S3@Pd混合物。
在常温常压下,配置80mL浓度为2*10-5mol/L的罗丹明B模拟废水试剂,加入0.08g的(BiO)2CO3@Sb2S3@Pd三元复合光催化剂,在自制光催化反应器中先暗反应曝气120min,待吸附平衡后打开300W氙灯(用滤光片滤掉420nm以下的紫外和近紫外光)光反应曝气180min,每隔60min取上清液4mL使用10000r/min的高速离心机离心5min,分层后取上清液在紫外-可见光分光光度计于553nm处测定吸光度,并计算罗丹明B的降解效率。
实施例2
与实施例1相比,不同之处在于步骤2中加入0.0115g的Sb2S3。
实施例3
与实施例1相比,不同之处在于步骤2中加入0.0192g的Sb2S3。
实施例4
与实施例1相比,不同之处在于步骤3中加入2.4mL的H2PdCl4(50mmol/L)溶液和2.4mL的NaBH4(300mmol/L)溶液。
实施例5
与实施例2相比,不同之处在于步骤3中加入2.4mL的H2PdCl4(50mmol/L)溶液和2.4mL的NaBH4(300mmol/L)溶液。
实施例6
与实施例3相比,不同之处在于步骤3中加入2.4mL的H2PdCl4(50mmol/L)溶液和2.4mL的NaBH4(300mmol/L)溶液。
实施例7
与实施例1相比,不同之处在于步骤3中加入0.8mL的H2PdCl4(50mmol/L)溶液和0.8mL的NaBH4(300mmol/L)溶液。
实施例8
与实施例2相比,不同之处在于步骤3中加入0.8mL的H2PdCl4(50mmol/L)溶液和0.8mL的NaBH4(300mmol/L)溶液。
实施例9
与实施例3相比,不同之处在于步骤3中加入0.8mL的H2PdCl4(50mmol/L)溶液和0.8mL的NaBH4(300mmol/L)溶液。
对比例1
将0.57g三氯化锑溶于60mL去离子水中,并搅拌15min后变成乳白色溶液,接着加入1.24g Na2S2O3·5H2O继续搅拌30min,溶液逐渐由浅黄色变成橙黄色,然后将溶液转移至反应釜中180℃反应24h,冷却、过滤,经水洗、醇洗各3次后,放入80℃真空烘箱中干燥6h得到Sb2S3粉末。
在常温常压下,配置80mL浓度为2*10-5mol/L的罗丹明B模拟废水试剂,加入0.08g的Sb2S3光催化剂,在自制光催化反应器中先暗反应曝气120min,待吸附平衡后打开300W氙灯(用滤光片滤掉420nm以下的紫外和近紫外光)光反应曝气180min,每隔60min取上清液4mL使用10000r/min的高速离心机离心5min,分层后取上清液在紫外-可见光分光光度计于553nm处测定吸光度,并计算罗丹明B的降解效率。
对比例2
取0.72g五水合硝酸铋于50mL烧杯中,加入5mL稀硝酸(5mol/L),经超声分散后得到透明溶液,再向溶液中加入0.21g柠檬酸,搅拌10min后得一澄清透明溶液,然后不断搅拌并调节pH至7-8,再向其加入去离子水至溶液体积为50mL,搅拌10min后放入反应釜中200℃反应24h,冷却、过滤,经水洗、醇洗各3次后,放入50℃真空烘箱中干燥5h得到片状(BiO)2CO3。
在常温常压下,配置80mL浓度为2*10-5mol/L的罗丹明B模拟废水试剂,加入0.08g的片状(BiO)2CO3光催化剂,在自制光催化反应器中先暗反应曝气120min,待吸附平衡后打开300W氙灯(用滤光片滤掉420nm以下的紫外和近紫外光)光反应曝气180min,每隔60min取上清液4mL使用10000r/min的高速离心机离心5min,分层后取上清液在紫外-可见光分光光度计于553nm处测定吸光度,并计算罗丹明B的降解效率。
对比例3
将0.57g三氯化锑溶于60mL去离子水中,并搅拌15min后变成乳白色溶液,接着加入1.24g Na2S2O3·5H2O继续搅拌30min,溶液逐渐由浅黄色变成橙黄色,然后将溶液转移至反应釜中180℃反应24h,冷却、过滤,经水洗、醇洗各3次后,放入80℃真空烘箱中干燥6h得到Sb2S3粉末。
取0.72g五水合硝酸铋于50mL烧杯中,加入5mL稀硝酸(5mol/L),经超声分散后得到透明溶液,再向溶液中加入0.21g柠檬酸,搅拌10min后得一澄清透明溶液,然后不断搅拌并调节pH至7-8,再向其加入去离子水至溶液体积为50mL,搅拌10min后向溶液中加入0.0038g的Sb2S3,继续搅拌1h后放入反应釜中200℃反应24h,冷却、过滤,经水洗、醇洗各3次后,放入50℃真空烘箱中干燥5h得到片状(BiO)2CO3@Sb2S3混合物。
在常温常压下,配置80mL浓度为2*10-5mol/L的罗丹明B模拟废水试剂,加入0.08g的(BiO)2CO3@Sb2S3复合光催化剂,在自制光催化反应器中先暗反应曝气120min,待吸附平衡后打开300W氙灯(用滤光片滤掉420nm以下的紫外和近紫外光)光反应曝气180min,每隔60min取上清液4mL使用10000r/min的高速离心机离心5min,分层后取上清液在紫外-可见光分光光度计于553nm处测定吸光度,并计算罗丹明B的降解效率。
对比例4
与对比例3相比,不同之处在于步骤2中加入0.0115g的Sb2S3。
对比例5
与对比例3相比,不同之处在于步骤2中加入0.0192g的Sb2S3。
对实施例所得的(BiO)2CO3@Sb2S3@Pd三元复合光催化剂形貌进行分析:
图1为实施例6所得的不同放大倍数下的(BiO)2CO3@Sb2S3@Pd三元复合光催化剂的TEM图。图2、图3和图4依次为实施例6所得的(BiO)2CO3@Sb2S3@Pd三元复合光催化剂的表面SEM图、X-射线能谱分析以及X-射线能谱mapping分析。由图1-4可知,实验中成功合成了(BiO)2CO3@Sb2S3@Pd三元复合光催化剂。由图2表面SEM可知,(BiO)2CO3为片状结构。由X-射线能谱mapping分析的特征元素(Bi、O、C、Sb、S、Pd)可知,所制备的系列三元复合光催化剂为(BiO)2CO3@Sb2S3@Pd。
对实施例1-9、对比例1-5进行结果分析:
表1为实施例1-9、对比例1-5对罗丹明B模拟废水的降解(3h),并计算了相应的降解率,表1中的质量分数均为以(BiO)2CO3为基准,掺杂物与(BiO)2CO3比较的百分数。由对比例1、对比例2结果可知,(BiO)2CO3与Sb2S3在可见光对2*10-5mol/L的罗丹明B模拟废水的降解率(3h)比较低,分别为22.06%和10.62%,它们的光响应主要集中在紫外区以及近紫外区。由对比例2-5结果可知,将(BiO)2CO3与Sb2S3结合能提高复合光催化剂的可见光响应。随着Sb2S3掺杂比例继续增加,(BiO)2CO3@Sb2S3复合光催化剂对罗丹明B模拟废水的降解率呈现先增大后减小的趋势,其中,对比例3中其对罗丹明B模拟废水的降解效果最佳(49.73%),这就为进一步制备系列三元复合光催化剂提供了先决条件。
表1、各催化剂降解效果
结合对比例3、实施例1、实施例4、实施例7实验结果,在(BiO)2CO3@Sb2S3(1%)复合光催化剂基础上进一步掺入一定量的Pd构建的(BiO)2CO3@Sb2S3@Pd三元复合光催化剂对罗丹明B模拟废水的降解效果明显增强;同样地,结合对比例4、实施例2、实施例5、实施例8实验结果,所构建的三元复合光催化剂对罗丹明B模拟废水的降解效果也明显增强;结合对比例5、实施例3、实施例6、实施例9实验结果,也得到了类似结果。
此外,结合实施例1-3、实施例4-6、实施例7-9实验结果,对于(BiO)2CO3@Sb2S3@Pd三元复合光催化剂,固定Pd的掺入量同时增加Sb2S3掺入量,三元复合光催化剂对罗丹明B模拟废水的降解效果明显增强。更为重要的是,随着Sb2S3掺入量的增加可以大大降低Pd的使用,这也有效降低了复合光催化剂的成本,相应结果如实施例4-6所示。
综合上述结果,在(BiO)2CO3@Sb2S3@Pd三元复合光催化剂体系,可以利用Sb2S3、Pd、(BiO)2CO3之间的协同作用,将(BiO)2CO3的催化活性拓展到可见光波段,同时Sb2S3的引入能有效减少贵金属Pd的使用。该技术方法简单、成本低廉。以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述,并非对本发明保护范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域相关技术人员对本发明的技术方案的变形与改进,均应计入本发明权利要求书的保护范围内。
Claims (10)
1.一种可见光响应三硫化二锑和Pd掺杂碳酸氧铋三元光催化剂的制备方法,其特征在于,首先通过水热法制备Sb2S3,然后将其加入制备片状(BiO)2CO3的前驱液中原位水热合成(BiO)2CO3@Sb2S3混合物,接着将(BiO)2CO3@Sb2S3混合物超声分散于去离子水,加入碳酸钠调节溶液pH,再在一定的温度下依次加入H2PdCl4、NaBH4溶液,即可得到目标产物可见光响应(BiO)2CO3@Sb2S3@Pd三元光催化剂,其中Pd的质量为(BiO)2CO3质量的1-5%,Sb2S3的质量为(BiO)2CO3质量的1-5%。
2.如权利要求1所述的可见光响应三硫化二锑和Pd掺杂碳酸氧铋三元光催化剂的制备方法,其特征在于,所述Sb2S3的制备过程为:将三氯化锑完全溶于去离子水,接着加入Na2S2O3·5H2O继续搅拌,溶液逐渐由浅黄色变成橙黄色,然后将溶液转移至反应釜中反应,冷却、过滤,经水洗、醇洗后真空干燥即可得到Sb2S3粉末。
3.如权利要求1或2所述的可见光响应三硫化二锑和Pd掺杂碳酸氧铋三元光催化剂的制备方法,其特征在于,所述(BiO)2CO3@Sb2S3混合物的合成过程为:取一定量的五水合硝酸铋、稀硝酸,经超声分散后得到透明溶液,再加入柠檬酸,搅拌后得澄清透明溶液,然后不断搅拌并按需调节pH,再向其加入去离子水定容,搅拌后向溶液中加入一定量的Sb2S3,继续搅拌后放入反应釜中反应一段时间,冷却、过滤,经水洗、醇洗后,真空干燥得到片状(BiO)2CO3@Sb2S3混合物。
4.如权利要求3所述的可见光响应三硫化二锑和Pd掺杂碳酸氧铋三元光催化剂的制备方法,其特征在于,Sb2S3的质量为0.0038-0.0192g。
5.如权利要求3所述的可见光响应三硫化二锑和Pd掺杂碳酸氧铋三元光催化剂的制备方法,其特征在于,合成片状(BiO)2CO3@Sb2S3混合物的反应温度为200℃。
6.如权利要求1所述的可见光响应三硫化二锑和Pd掺杂碳酸氧铋三元光催化剂的制备方法,其特征在于,取片状(BiO)2CO3@Sb2S3混合物加入去离子水超声分散,并加入碳酸钠溶液并按需调节溶液的pH,然后向锥形瓶中加入一定体积的H2PdCl4溶液反应,同时加入一定体积的NaBH4溶液将H2PdCl4还原为Pd,待溶液冷却后,经水洗、醇洗、真空干燥得到(BiO)2CO3@Sb2S3@Pd混合物。
7.如权利要求6所述的可见光响应三硫化二锑和Pd掺杂碳酸氧铋三元光催化剂的制备方法,其特征在于,H2PdCl4的浓度为50mmol/L,体积为0.8-4mL。
8.如权利要求6所述的可见光响应三硫化二锑和Pd掺杂碳酸氧铋三元光催化剂的制备方法,其特征在于,NaBH4的浓度为300mmol/L,体积为0.8-4mL。
9.如权利要求6所述的可见光响应三硫化二锑和Pd掺杂碳酸氧铋三元光催化剂的制备方法,其特征在于,加入H2PdCl4溶液后,35℃恒温反应3h后再将溶液升温至95℃,同时加入NaBH4溶液,并在95℃下保温30min。
10.一种权利要求1-9任意一项所述方法制备的可见光响应三硫化二锑和Pd掺杂碳酸氧铋三元光催化剂的应用,在可见光照射下用于对染料废水进行降解。
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