[发明专利]P123辅助溶胶凝胶法合成多孔BiFe03纳米微晶的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种P123辅助溶胶凝胶法合成多孔BiFeO₃纳米微晶的方法，属无机非金属材料及半导体光催化材料制备工艺技术领域。

背景技术

BiFeO₃是一种钙钛矿结构的材料。由于其三方扭曲的赝立方晶体结构，该材料显示出铁电性和铁磁性。以往BiFeO₃的研究主要集中在其多铁性方向，最近该材料在半导体光催化领域的应用潜力得到人们的关注，成为新的研究热点。

光催化技术是指利用半导体氧化物材料在光照下产生具有还原氧化能力的光生电子空穴对，利用光能有效的光解水、氧化分解有机物、和还原重金属离子等。该技术可将污染物深度降解为CO₂、H₂O和无机离子，并且无二次污染，是一种具有广阔前景的绿色环境治理技术，受到学术界、政府部门及企业界的高度重视。钙钛矿BiFeO₃晶体结构中的Fe³⁺是光催化活性中心，Bi³⁺不仅起到稳定材料骨架作用，还可以影响B位铁离子的价态，从而影响光催化性能。BiFeO₃作为光催化材料的突出优势是禁带宽度为2.18eV，可以实现可见光响应。这大大弥补了当今常用光催化材料TiO₂只能紫外响应的不足，因为近地太阳光能量大部分集中在可见光谱段，TiO₂应用主要依靠人工紫外光源，成本高，耗能大，影响了该材料的应用与推广。

BiFeO₃微晶光催化降解有机污染物的报道并不多。2006年南京大学的高峰等人用溶胶凝胶法制备出粒径为80～120nm的球状BiFeO₃纳米颗粒，显示出可见光催化活性，但效率较低，采用高达约9g/L的催化剂量，用时16小时才将15mg/L的甲基橙溶液降解完毕。2009年湖北大学刘志珂等人采用共沉淀法制备出粒径为150～200nm的BiFeO₃纳米颗粒，由于粒径较大，不具有可见光催化活性，仅在紫外光照射下有降解作用。以上说明光催化剂降解有机污染物的活性受到其粒径、比表面积、纯度等影响，这些因素对合成工艺参数非常敏感。较小的粒径，较大的比表面积以及高纯度的催化剂具有更高的活性。固相法及共沉淀法合成的BiFeO₃微晶在烧结过程中会不可避免地出现晶粒会长大而且容易产生杂相。而传统的溶胶凝胶法由于采用较为昂贵的有机盐原料，并且在制备过程中挥发出大量有毒物质，也与绿色节约环保理念不适应。本发明采用无机盐溶胶凝胶法，利用表面活性剂Pluronic P123作为造孔剂改性，合成出了晶粒尺寸为30～60nm左右且具有孔道结构的纯相BiFeO₃微晶，大大提高了光催化活性。

发明内容

本发明的目的是提供一种以金属硝酸盐即九水合硝酸铁和五水合硝酸铋为原料，以P123为表面活性剂，采用溶胶凝胶法获得纯相的、具有多孔形貌的BiFeO₃纳米微晶的方法。

本发明是一种P123辅助溶胶凝胶法合成多孔BiFeO₃纳米微晶的方法，其特征在于具有以下的过程和步骤：

a.原料的配制：使用分析纯的Fe(NO₃)₃·9H₂O和Bi(NO₃)₃·5H₂O作为原料，按照Fe∶Bi摩尔比1∶1称料后将两者混和，置于烧瓶中；

b.溶胶的配制：将分析纯乙二醇加入上述烧瓶作为溶剂以及络合剂，通过磁力搅拌，使无机盐原料完全溶解，成为均匀的混合溶液；加入一定量分析纯冰醋酸作为稳定剂，将上述溶液置于油浴装置中，在70℃恒温搅拌30分钟，此时要加冷凝回流装置，防止溶液蒸发过快；加入一定量分析纯P123作为表面活性剂和造孔剂，继续70℃恒温搅拌2小时，得到褐红色溶胶；

c.凝胶的形成：将上述褐红色溶胶倒入培养皿中，放入70℃烘箱内通风干燥2天，使其充分老化，形成褐红色干凝胶；将所得干凝胶在研钵中充分研磨，得到黄色干凝胶粉；

d.凝胶粉的烧结：将上述干凝胶粉放入马弗炉进行烧结，控制升温速率为1℃/min，反应环境为空气或者保护气氛(如氮气，氧气)，烧结最高温度为400℃～600℃，在最高温度保温30分钟，随炉冷却至室温，可以得到一系列不同晶粒尺寸及形貌的烧结物；

e.洗涤和干燥：将上述烧结物用去离子水和乙醇进行洗涤，在80℃的烘箱内干燥，即得到BiFeO₃微晶。