[发明专利]一种Cu掺杂BiVO4多孔纳米管光催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于BiVO₄纳米材料制备技术及其光催化分解水领域，具体涉及一种Cu掺杂BiVO₄多孔纳米管光催化剂的制备方法。

背景技术

钒酸铋(BiVO₄)作为一种新型的光催化剂，因其禁带宽度窄(约2.4eV)，能够吸收更多的可见光，具有好的化学和光学稳定性好，并且无毒无污染等优点，使其正在成为可见光光催化研究领域的热点。研究报道称BiVO₄有很多晶型，其中单斜白钨矿结构(ms-BiVO₄)的光催化性被证明是最优的，但由于BiVO₄光催化材料存在光生电子和空穴复合率高导致其光催化性能降低。因此，通过对BiVO₄的结构改性和掺杂修饰，降低其光生电子与空穴的复合，对于提高光催化制氧效率具有重要的意义。

目前报道的制备钒酸铋主要有高温固相反应法、溶胶凝胶法、水热法等等。《催化快报》(2014年144卷1962页)报道了合成BiVO₄的方法，《道尔顿会刊》(2014年，43卷，311页)也报道了合成BiVO₄的合成方法，但是这些方法制备的BiVO₄尺寸较大，影响了其在水中的分散性能，进而有可能影响其光催化性能。专利CN106268905A公开报道了BiVO₄光催化剂的合成，但是所合成BiVO₄的纳米微粒的尺寸仍然比较大，不利于光催化的反应。而且，与空心结构相比，比表面积小，也不利于光催化反应的进一步进行。

空心结构，作为一种特殊的纳米结构，它具有比表面积大、低效率密度等优点，而广泛应用于催化剂、药物传输、太阳能电池和气体传感等领域。将BiVO₄制备成空心结构，不仅可以有效的增加其比表面积，而且可以有效的利用空心结构的光学性能来提高光学吸收，进而提高其光催化性能。《应用催化B：环境》(2011年105卷326页)报道了合成多孔BiVO₄光催化剂，专利CN101746824A也公开发表了合成空心多孔BiVO₄微米粒子。但是大部分所报道的形成BiVO₄光催化剂空心结构，由于加入了有机表面活性剂，这些表面活性剂一般很难去除，残留在催化剂表面会影响其光催化性能。因此，寻找一种低成本、模板易去除的制作空心结构的方法是人们研究的焦点之一。

此外，通过离子掺杂的方法对BiVO₄进行改性，可以进一步提高它的光催化性能。《应用表面科学》(2017年413卷253页)报道了Ni对BiVO₄进行掺杂修饰，进而提高了BiVO₄光催化性能，《应用催化B：环境》(2017年213卷87页)报道了Nd、Er共掺杂BiVO₄，提高BiVO₄光催化降解罗丹明B的效率、增强BiVO₄的稳定性。因此，如何对光催化剂进行合适的离子掺杂，成为现在提高光催化性能的一条重要研究方向。目前，合成能够同时实现低成本、易控制、重复性好的一种Cu掺杂BiVO₄多孔纳米管光催化剂的制备方法还没有报道。

发明内容

本发明针对BiVO₄合成尺寸和均匀性以及其过渡金属离子有效掺杂的问题，提供了一种合成过程简单，低成本、易控制、重复性好的Cu掺杂BiVO₄多孔纳米管光催化剂的制备方法。

本发明的技术方案是通过如下方式实现的：一种Cu掺杂BiVO₄多孔纳米管光催化剂的制备方法，首先采用静电纺丝方法，高分子聚丙烯腈(PAN)和溶剂N，N-二甲基甲酰胺(DMF)结合形成电纺丝纳米纤维，再用电纺丝纳米纤维作为模板，采用乙二醇和乙醇作为混合溶剂，以硝酸铋(Bi(NO₃)₃)、硫酸铜(CuSO₄)和偏钒酸铵(NH₄VO₃)作为反应前驱物，采取溶剂热反应后，将混合物洗涤，烘干，然后对混合物在空气中煅烧处理，最终得到一种Cu掺杂BiVO₄多孔纳米管光催化剂。

在所述的一种Cu掺杂BiVO₄多孔纳米管光催化剂的制备方法中，制备方法包括以下步骤：

(1)一维PAN纳米纤维前驱体的制备