[发明专利]多形貌稀土掺杂BiVO4复合光催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光催化材料，尤其涉及一种多形貌稀土掺杂BiVO₄复合光催化剂及其制备方法。

技术背景

太阳能一直被人们认为是一种储量丰富可持续性利用的自然能源，但是人类对其利用仍然十分有限。光催化技术作为一种可以直接利用太阳能水解制氢和深度降解环境中高毒性有机污染物的新型催化技术，在21世纪能源和环境等应用方面都十分具有前景。BiVO₄作为一种具有无毒性、高稳定性以及强可见光响应等优点的新型半导体光催化材料，被很多研究者所关注。

随着人们对光催化剂的深入研究发现，催化剂的微观形貌、颗粒尺寸以及晶格组成都是影响其光催化性能的重要因素。而在反应体系中加入表面活性助剂或者掺杂稀土金属离子都能对催化剂的形貌、尺寸以及晶格结构产生影响，是比较常用的一种催化剂改性方法。例如：以乙二胺四乙酸钠（EDTA）为表面活性剂，在水热条件下可获得五角星形状薄片形状的BiVO₄，其光催化活性较未经表面活性剂改性的样品提高了50%以上(S.M. Sun et al. Ind. Eng. Chem. Res. 2009, 48 :1735–1739)。Cao等人通过将La³⁺掺杂到TiO_2-xF_x光催化剂中，提高了催化剂的可见光响应和对次甲基蓝的降解效果（G.X. Gao et al. J. Am. Ceram. Soc., 2010, 93: 25–27）。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种多形貌稀土掺杂BiVO₄复合光催化剂及其制备方法，结合表面活性剂和稀土金属离子掺杂改性光催化剂方面的优势，通过控制稀土离子、物料配比以及水热合成条件，得到不同形貌的Ln_xBi_(1-x)VO₄催化剂，催化剂比表面积大，并且具有很好的可见光催化性能。

本发明的技术解决方案是：该稀土掺杂BiVO₄复合光催化剂的组成为：Ln_xBi_(1-x)VO₄ ，其中Ln=La，Ce，Pr，Nd，Sm，Gd，Dy，Er，Y；x=0.01-0.3 mol%。 

该复合光催化剂的制备方法包括以下步骤：

1）配置等摩尔浓度的HNO₃和NaOH溶液，摩尔浓度为1~6mol/L；

2）取一定量的Bi(NO₃)₃·5H₂O溶解在一定体积的HNO₃溶液，然后加入一定量的EDTA超声10～30min溶解得到溶液a；

3）取一定量的NH₄VO₃溶解在一定体积的NaOH溶液中得到溶液b，然后将溶液b逐渐滴加到溶液a中，搅拌1~3h，加入掺杂镧系元素Ln(NO₃)₃得到黄色的悬浊液；

4）取一定量的无水乙醇加入到上述悬浊液中，继续搅拌1～2h得到反应前躯体；

5）将前躯体放入高压反应釜中，在100～200℃的水热温度中，水热反应2～10h得产物，将产物分别用无水乙醇和水洗涤2-3次，放入40～100℃真空干燥箱中干燥数小时，得到催化剂。

其中，Bi(NO₃)₃·5H₂O与NH₄VO₃摩尔质量比为1: 0.5~1:1.5，Bi(NO₃)₃·5H₂O与EDTA的摩尔质量比为1:0.1~1:2。

其中，Bi(NO₃)₃与掺杂镧系元素Ln(NO₃)₃的摩尔质量比为1:0.01～1:0.3。

其中，HNO₃与NaOH体积比1:0.5~1:3，HNO₃与CH₃CH₂OH 的体积比为1:0.2~1:10 。

本发明具有以下优势: 1、在醇-水热条件下，以EDTA作为表面活性剂及具有特殊外围电子结构的稀土元素为掺杂离子，对BiVO₄进行改性处理，得到了具有多种形貌、高比表面积和高催化性能的光催化剂，