CN114433065B - 用于去除水体中藻类的氧化铋与铌酸铋复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
用于去除水体中藻类的氧化铋与铌酸铋复合材料及其制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于去除水体中藻类的氧化铋与铌酸铋复合材料及其制备方法和应用,制备方法包括以下步骤:将氢氧化钠、铋酸钠和水混合均匀,再加入Bi3NbO7,搅拌均匀,于170~180℃保温5~8h,离心,洗涤离心所得固体,干燥,得到氧化铋与铌酸铋复合材料,本发明所制得的氧化铋与铌酸铋复合材料可用于去除水体中的有害藻类,具有较好的氧活化能力及可见光响应能力,此外,氧化铋与铌酸铋复合材料的光生载流子重组率,加速了层间界面电荷分离和转移,使得其具有较高的光催化活性。
Description
技术领域
本发明属于废水处理技术领域,具体来说涉及一种用于去除水体中藻类的氧化铋与铌酸铋复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着全球气候变暖,导致水体富营养化问题愈发严重,有害藻华爆发对水生生态***造成严重威胁,此外,大多有害藻类,如铜绿微囊藻产生的藻毒素亦对水环境造成安全隐患。当前的控制有害藻华的方法主要有物理法、化学法及生物法等,如机械打捞、超声法破碎、生物法除藻等。然而,这些传统的方法由于存在相应的缺陷而使其应用受到限制。如人工机械打捞在实施过程需要较多的人力和物力,成本较高,只能作为水华爆发时的应急措施。超声波法在破碎细胞的同时会使得藻细胞内容物外泄,且适用范围较小。生物除藻法一般处理周期较长,效果较不稳定,且后续处理较为复杂,存在加重破坏生态***的风险。因此,如何有效地控制有害藻华成为目前环境领域研究重点。
近年来,半导体光催化技术由于其能够高效地活化地球上最绿色的氧化剂-分子氧从而有效地利用太阳能的优势,引起了广泛的关注。其中,将光催化技术应用于纳米光催化剂,因其光催化活性高、环境友好、成本低及无毒等优势,为解决有害藻华问题提供新思路。纳米光催化剂可以在光下激活生成活性氧(ROS)损坏藻类细胞壁及细胞膜,使得藻细胞遭到破坏,此外,ROS还能够破坏藻类的光合***和抗氧化***,进一步抑制藻类的活性并降解相应的微囊藻毒素。但目前ROS在光催化反应过程中的演化效率较低,导致光催化应用实际水体中的藻类去除时仍然受到限制。ROS的演化效率较低主要由于以下原因,一方面,催化剂对O2的特异性吸附较差,此外电子从催化剂到O2的电子转移效率较低,导致参与氧活化的有效电子数量较少。另一方面,光生空穴和电子复合快,光生电子寿命短等问题严重地制约着在实际水体中的应用。在增强光催化O2活化方面,氧空位起着至关重要的作用,这是由于构建氧空位为O2的化学吸附提供了具有低价金属的配位不饱和位点,并建立一个有效的电子传递通道,从而促进O2的活化。此外,与大体积材料相比,超薄二维材料更容易暴露更多地氧空位,这减少了光生电子的迁移距离,从而提高了电子的转移能力。但氧空位可能作为电荷重组中心,在这种情况下,即使通道仍然存在,从光催化剂到O2的电子数量也会减少,从而导致较差的O2活化。因此,为了实现高效的光催化O2活化,迫切需要有效的策略解决电子短缺的问题。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种去除水体中藻类的氧化铋与铌酸铋复合材料的制备方法,该制备方法工艺简单,条件温和,制备得到的氧化铋与铌酸铋复合材料作为光催化剂不但活性高且稳定性高。
本发明的另一目的是提供上述制备方法获得的氧化铋与铌酸铋复合材料,该氧化铋与铌酸铋复合材料能够显著提高光催化剂对可见光的利用能力,加速了层间界面电荷分离和转移,抑制了电子空穴对的重组,从而极大提高了光催化能力,实现对有害藻华的有效去除。
本发明的另一目的是提供上述氧化铋与铌酸铋复合材料在去除水体中藻类中的应用,该氧化铋与铌酸铋复合材料能够缓解实际水体中蓝藻水华的问题。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
一种去除水体中藻类的氧化铋与铌酸铋复合材料的制备方法,包括以下步骤:
将氢氧化钠、铋酸钠和水混合均匀,再加入Bi3NbO7,搅拌均匀,于170~180℃保温5~8h,离心,洗涤离心所得固体,干燥,得到氧化铋与铌酸铋复合材料,其中,所述氢氧化钠的质量份数、铋酸钠的质量份数和水的体积份数的比为(2.3~2.4):(2.7~2.8):(50~60),按质量份数计,所述Bi3NbO7和铋酸钠的比为(4~12):100。
在上述技术方案中,制备所述Bi3NbO7的方法为:将第一溶液滴入第二溶液中,于室温搅拌,再加入苯甲醇,调节pH至10~15,于170~180℃保温18~24h,离心,将离心所得固体洗涤,干燥,得到所述Bi3NbO7,其中,所述第一溶液为硝酸铋和冰醋酸的混合物,所述第二溶液为草酸铌和甲醇的混合物,所述硝酸铋的质量份数和冰醋酸的体积份数的比为(1.4~3):(10~20),所述草酸铌的质量份数和甲醇的体积份数的比为(0.5~1.1):(40~80),所述质量份数的单位为g,所述体积份数的单位为mL,按体积份数计,所述第一溶液、第二溶液和苯甲醇的比为(1~2):(4~8):(3~6)。
在上述技术方案中,所述干燥的温度为70~80℃,所述干燥的时间为8~10h。
在上述技术方案中,所述洗涤采用去离子水和无水乙醇。
上述制备方法获得的氧化铋与铌酸铋复合材料。
在上述技术方案中,所述氧化铋与铌酸铋复合材料包括:BiO2-x单体以及附着在BiO2-x单体表面上的Bi3NbO7颗粒,0<x<2,所述氧化铋与铌酸铋复合材料为二维超薄纳米片结构。
上述氧化铋与铌酸铋复合材料在去除水体中藻类中的应用。
在上述技术方案中,所述氧化铋与铌酸铋复合材料作为光催化剂。
在上述技术方案中,在光照条件下,向含有藻类的水体中投入所述氧化铋与铌酸铋复合材料,搅拌。
本发明所制得的氧化铋与铌酸铋复合材料可用于去除水体中的有害藻类,具有较好的氧活化能力及可见光响应能力,此外,氧化铋与铌酸铋复合材料的光生载流子重组率,加速了层间界面电荷分离和转移,使得其具有较高的光催化活性。
与已有技术相比,本发明具有以下优点:
1、本发明所制备的氧化铋与铌酸铋复合材料具有光催化活性高、绿色环保和稳定性好等特点。
2、本发明将氧化铋与铌酸铋复合材料用于控制水体中的蓝藻水华问题,其对空气中的O2特异性吸附较好,使得电子从催化剂到O2的电子转移效率更高,从而增加了参与氧活化的有效电子数量,以提高光催化除藻效果。
3、本发明所制备的氧化铋与铌酸铋复合材料(光催化VDW异质结纳米复合材料),通过形成的VDW异质结加速层间界面电荷分离和转移,缩短了电荷传输距离,从而提高了光致电子空穴对的分离率,显著增强催化剂的光催化活性。
附图说明
图1为实施例1~7中Bi3NbO7/BiO2-x单体/氧化铋与铌酸铋复合材料作为光催化剂光催化降解叶绿素a的效率;
图2为Bi3NbO7、BiO2-x单体及Bi3NbO7/BiO2-x复合材料光催化杀藻过程中胞外(EOM)及胞内(IOM)有机物总有机碳(TOC)的变化,其中,a为胞外,b为胞内;
图3为实施例4制备所得氧化铋与铌酸铋复合材料铜绿微囊藻光催化灭杀实验的稳定性;
图4为Bi3NbO7、BiO2-x单体及Bi3NbO7/BiO2-x复合材料的X射线衍射图谱;
图5为实施例4制得氧化铋与铌酸铋复合材料的透射电子显微镜照片,其中,a为TEM谱图,b为HRTEM谱图,c为HAADF-STEM谱图,d-g为EDS元素映射谱图;
图6为Bi3NbO7、BiO2-x单体及氧化铋与铌酸铋复合材料的紫外-可见漫反射光谱;
图7为Bi3NbO7、BiO2-x单体及氧化铋与铌酸铋复合材料的表面光伏测试对比图;
图8为Bi3NbO7、BiO2-x单体及氧化铋与铌酸铋复合材料的EIS谱图和瞬时光电流响应谱图,其中,a为EIS谱图,b为瞬时光电流响应谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
下述实施例所涉及药品的纯度和购买厂家如下:
药品名称 | 药品分子式 | 纯度 | 试剂公司 |
硝酸铋 | Bi(NO3)3·6H2O | 分析纯 | 九鼎化学(上海)科技有限公司 |
草酸铌 | C10H5NbO20 | 分析纯 | 上海麦克林生化科技有限公司 |
冰醋酸 | CH3COOH | 分析纯 | 天津科密欧化学试剂有限公司 |
甲醇 | CH3OH | 分析纯 | 天津市风船化学试剂科技有限公司 |
苯甲醇 | C6H5CH2OH | 分析纯 | 天津科密欧化学试剂有限公司 |
氢氧化钾 | KOH | 分析纯 | 天津市科密欧化学试剂有限公司 |
氢氧化钠 | NaOH | 分析纯 | 福晨(天津)化学试剂有限公司 |
无水乙醇 | CH3CH2OH | 分析纯 | 天津风船化学试剂科技有限公司 |
铋酸钠 | NaBiO3 | 分析纯 | 罗恩化学有限公司 |
下述实施例所涉及仪器的型号和厂家如下:
型号/规格 | 仪器/设备 | 生产商 |
CJB-S140 | 磁力搅拌器 | 天津科诺仪器设备有限公司 |
PHS-2F | 雷磁pH计 | 上海精密科学仪器有限公司 |
101-3A | 电热恒温干燥箱 | 上海圣科仪器设备有限公司 |
TG16-WS | 台式高速离心机 | 湖南湘仪离心机公司 |
CEL-HXF300-T3 | 氙灯光源 | 北京中教金源科技有限公司 |
150ml | 双层烧杯 | 郑州欣源玻璃仪器 |
TOC-L CPN | 总有机碳分析仪(TOC) | 日本岛津公司 |
Max2200PC | X射线衍射仪 | 日本理学公司 |
JEM-2100F | 透射电子显微镜 | 日本电子株式会社 |
U-3900H | 紫外-可见分光光度计 | 日本日立公司 |
IPCE1000 | 表面光电压谱仪 | 北京泊菲莱科技有限公司 |
CHI760E | 电化学工作站 | 上海辰华仪器有限公司 |
实施例1
制备Bi3NbO7的方法为:将第一溶液缓慢地滴入第二溶液中,于室温20~25℃搅拌30min,再加入苯甲醇,缓慢加入2mol/L的氢氧化钾水溶液调节pH至13,转移至100ml具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜中,于180℃保温24h,自然冷却至室温,离心,采用去离子水和无水乙醇将离心所得固体各洗涤3次,在干燥箱中于80℃干燥8h,得到Bi3NbO7,其中,第一溶液的制备方法为将硝酸铋和冰醋酸混合,于室温20~25℃搅拌30min;第二溶液的制备方法为将草酸铌和甲醇混合,于室温20~25℃搅拌30min;硝酸铋的质量份数和冰醋酸的体积份数的比为1.455:10,草酸铌的质量份数和甲醇的体积份数的比为0.538:40,质量份数的单位为g,体积份数的单位为mL,按体积份数计,第一溶液、第二溶液和苯甲醇的比为1:4:3。
实施例2(对比)
BiO2-x单体的制备方法,包括以下步骤:
将氢氧化钠、铋酸钠和水混合,在室温下搅拌30min至均匀,转移至100ml具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜中,于180℃保温6h,自然冷却至室温,离心,采用去离子水和无水乙醇洗涤离心所得固体各3次,于干燥箱中80℃干燥8h,研磨,得到BiO2-x单体,其中,氢氧化钠的质量份数、铋酸钠的质量份数和水的体积份数的比为2.4:2.8:60,质量份数的单位为g,体积份数的单位为mL。
实施例3~7
一种去除水体中藻类的氧化铋与铌酸铋复合材料(Bi3NbO7/BiO2-x复合材料)的制备方法,包括以下步骤:
将氢氧化钠、铋酸钠和水混合,在室温下搅拌30min至均匀,再加入实施例1所得Bi3NbO7,在室温下搅拌20min至均匀,转移至100ml具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜中,于180℃保温6h,自然冷却至室温,离心,采用去离子水和无水乙醇洗涤离心所得固体各3次,于干燥箱中80℃干燥8h,研磨,得到氧化铋与铌酸铋复合材料,其中,氢氧化钠的质量份数、铋酸钠的质量份数和水的体积份数的比为2.4:2.8:60,质量份数的单位为g,体积份数的单位为mL。按质量份数计,Bi3NbO7和铋酸钠的比为X,X见表1。
表1
实施例 | X |
实施例3 | 1:25 |
实施例4 | 3:50 |
实施例5 | 2:25 |
实施例6 | 1:10 |
实施例7 | 3:25 |
在室温下20℃,在150ml的双层烧杯中进行铜绿微囊藻光催化灭杀实验。铜绿微囊藻光催化灭杀实验的方法是:150ml的双层烧杯中盛放着铜绿微囊藻藻液,铜绿微囊藻藻液的体积为150ml,浓度为2.6×106cells/ml。光照采用的是氙灯光源,氙灯光源提供可见光照射(波长>420nm),其光强为100mW·cm-1。采用叶绿素a作为探究杀藻效果的指标。取30mg的实施例1、2、3、4、5、6或7所得Bi3NbO7/BiO2-x单体/氧化铋与铌酸铋复合材料作为光催化剂投加到150ml铜绿微囊藻藻液中,向双层烧杯通入15~20℃冷凝水以保证反应过程中铜绿微囊藻藻液温度保持在室温20~30℃。在进行光催化反应过程中持续搅拌,以保证光催化剂与藻细胞接触的均匀性,每30min取样测定叶绿素a含量记作C,降解前叶绿素a含量记作C0。实验结果如图1所示。
实施例1~7的光催化降解叶绿素a的效率如图1所示,当Bi3NbO7与铋酸钠的质量比从1:25增加到3:50时,光催化对叶绿素a的降解效率逐渐增加,而当质量比再次增加到3:25时,光催化对叶绿素a的降解效率反而减小。实施例4制备的氧化铋与铌酸铋复合材料的光催化杀藻效率最高,其对叶绿素a的降解效率在150min达到92%。
对比实施例1、2和4在光催化杀藻过程中细胞胞外(EOM)及胞内(IOM)有机物的总有机碳(TOC)的变化,结果如图2所示,氧化铋与铌酸铋复合材料的TOC值与Bi3NbO7和BiO2-x单体相比明显变低,这可能是由于在可见光照射下氧化铋与铌酸铋复合材料产生的活性物质更多,从而促进了EOM和IOM的矿化。
探究Bi3NbO7/BiO2-x复合材料的稳定性。用相同的Bi3NbO7/BiO2-x复合材料作为光催化剂按照上述铜绿微囊藻光催化灭杀实验的方法循环进行了五次操作,结果如图3和表2所示,其中,每次方法后将光催化剂用台式高速离心机离心,然后将离心所得固体通过乙醇洗涤3次,在80℃下烘干3h,再进行下一个循环实验,其中,乙醇洗涤为在乙醇中超声处理10分钟后离心。
表2是每次方法在不同时间内降解叶绿素a的效率,Bi3NbO7/BiO2-x复合材料经过五次循环使用降解叶绿素a的效率仍然可以达到84%,这表明Bi3NbO7/BiO2-x复合材料具有良好的稳定性和可行性。
表2
图4为实施例1、2和4制得的Bi3NbO7、BiO2-x单体和氧化铋与铌酸铋复合材料的X射线衍射图谱。从图4中可以看出,Bi3NbO7和BiO2-x单体的主要衍射峰都能很好地与Bi3NbO7(JCPDS 86-0875)和BiO2-x(JCPDS 47-1057)一一对应,在氧化铋与铌酸铋复合材料中没有发现明显的Bi3NbO7的特征峰,主要是因为Bi3NbO7的负载量过低的缘故。
利用JEM-2100F型透射电子显微镜(TEM)测试实施例4中所制备的氧化铋与铌酸铋复合材料,表征其形貌及晶体结构。结果如图5所示,图5a中显示了二维超薄纳米片结构,且Bi3NbO7附着在BiO2-x表面。图5b是氧化铋与铌酸铋复合材料的高分辨率TEM图像,显示出明显的晶格条纹,并且Bi3NbO7的(200)面上的晶格间距为0.27nm,BiO2-x的(111)面上的晶格间距为0.318nm,证明了氧化铋与铌酸铋复合材料中两种物质的存在及异质结的形成,这将有利于两相之间的电子传输,可以有效的抑制光生电子-空穴对的复合,从而获得高效的光催化活性。图5c-g是元素mapping映射图,表明Bi、O和Nb均匀分布在氧化铋与铌酸铋复合材料中,再次证实了氧化铋与铌酸铋复合材料由Bi3NbO7和BiO2-x组成。
图6为实施例1、2和4制得的Bi3NbO7、BiO2-x单体和氧化铋与铌酸铋复合材料的紫外-可见吸收光谱。从图中可见,当Bi3NbO7与BiO2-x形成异质结后,其可见光吸收边表现出一定的红移现象。因此,氧化铋与铌酸铋复合材料的光吸收能力比Bi3NbO7和BiO2-x单体有了很大的提升,氧化铋与铌酸铋复合材料能够捕获更多的可见光。
图7为实施例1、2和4制得的Bi3NbO7、BiO2-x单体和氧化铋与铌酸铋复合材料的稳态光伏测试图,测试通过一盏500W的氙灯提供单色光。可以看到,单体BiO2-x在300-550nm范围内表现出明显的表面光伏响应,然而Bi3NbO7却几乎没有响应,表明Bi3NbO7在其带隙范围内没有发生光生电子-空穴的分离。对于氧化铋与铌酸铋复合材料,可以看到其光伏信号发生了明显的增强,而且氧化铋与铌酸铋复合材料的光伏曲线也并不是简单的Bi3NbO7和BiO2-x单体信号的叠加。因此,氧化铋与铌酸铋复合材料的形成有益于光生电荷的分离与转移。
对实施例1、2和4制得的Bi3NbO7、BiO2-x单体和氧化铋与铌酸铋复合材料的光电化学性能进行研究:利用CHI760E电化学工作站和三电极光化学电解池,以铂片为辅助电极,饱和甘汞电极为参比电极,负载Bi3NbO7/BiO2-x单体/氧化铋与铌酸铋复合材料的FTO导电玻璃为工作电极,在电解质为0.5mol·L-1Na2SO4的水溶液中进行不同催化剂的电化学阻抗谱(EIS)和瞬时光电流响应测试。图8a是Bi3NbO7、BiO2-x单体和氧化铋与铌酸铋复合材料的EIS谱,与Bi3NbO7和BiO2-x单体相比,氧化铋与铌酸铋复合材料对应的半圆半径最小,表明界面电荷转移阻力最小,这是因为Bi3NbO7和BiO2-x复合后促进电荷转移并抑制了电子-空穴对的重组。图8b是Bi3NbO7、BiO2-x单体和氧化铋与铌酸铋复合材料的瞬时光电流响应谱,与Bi3NbO7和BiO2-x单体相比,氧化铋与铌酸铋复合材料表现出更强的光电流响应,这证明Bi3NbO7和BiO2-x之间的异质结有利于电子-空穴对的有效分离,从而有更多的光生载流子进行光催化反应,极大地提高了光催化活性。
以上对本发明做了示例性的描述,应该说明的是,在不脱离本发明的核心的情况下,任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种去除水体中藻类的氧化铋与铌酸铋复合材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:将氢氧化钠、铋酸钠和水混合均匀,再加入Bi3NbO7,搅拌均匀,于170~180℃保温5~8h,离心,洗涤离心所得固体,干燥,得到氧化铋与铌酸铋复合材料,其中,所述氢氧化钠的质量份数、铋酸钠的质量份数和水的体积份数的比为(2.3~2.4):(2.7~2.8):(50~60),按质量份数计,所述Bi3NbO7和铋酸钠的比为(4~8):100,所述质量份数的单位为g,所述体积份数的单位为mL。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,制备所述Bi3NbO7的方法为:将第一溶液滴入第二溶液中,于室温搅拌,再加入苯甲醇,调节pH至10~15,于170~180℃保温18~24h,离心,将离心所得固体洗涤,干燥,得到所述Bi3NbO7,其中,所述第一溶液为硝酸铋和冰醋酸的混合物,所述第二溶液为草酸铌和甲醇的混合物,所述硝酸铋的质量份数和冰醋酸的体积份数的比为(1.4~3):(10~20),所述草酸铌的质量份数和甲醇的体积份数的比为(0.5~1.1):(40~80),所述质量份数的单位为g,所述体积份数的单位为mL,按体积份数计,所述第一溶液、第二溶液和苯甲醇的比为(1~2):(4~8):(3~6)。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于,所述干燥的温度为70~80℃,所述干燥的时间为8~10 h。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于,所述洗涤采用去离子水和无水乙醇。
5.如权利要求1~4中任意一项所述制备方法获得的氧化铋与铌酸铋复合材料。
6.根据权利要求5所述的氧化铋与铌酸铋复合材料,其特征在于,该氧化铋与铌酸铋复合材料包括:BiO2-x单体以及附着在BiO2-x单体表面上的Bi3NbO7颗粒,0<x<2,所述氧化铋与铌酸铋复合材料为二维超薄纳米片结构。
7.如权利要求5所述氧化铋与铌酸铋复合材料在去除水体中藻类中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用,其特征在于,所述氧化铋与铌酸铋复合材料作为光催化剂。
9.根据权利要求7所述的应用,其特征在于,在光照条件下,向含有藻类的水体中投入所述氧化铋与铌酸铋复合材料,搅拌。
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