[发明专利]铁酸铋-石墨烯复合磁性可见光催化剂、制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明属于可见光催化领域，具体涉及一种铁酸铋-石墨烯复合磁性光催化剂的制备及其在可见光催化方面的应用。

背景技术

随着社会经济的发展，能源和生态环境问题已引起了人们的广泛关注。能源短缺和环境污染是实现社会可持续发展迫切需要解决的问题。在各种污染处理技术中，可见光催化技术可直接利用可见光降解甚至矿化污染物质，在环境保护和新能源开发方面具有良好的应用前景。作为研究最多的光催化材料，TiO₂因其带隙宽，只对紫外光（约占太阳光能量的5%）有响应等特点，限制了其在实际中的应用。为更好地利用太阳能，制备具有可见光响应的新型光催化材料十分必要。

相关调查表明，构成新型可见光催化剂的Ti、Bi、W等元素在我国资源丰富，其中铋储量居世界第一。铋系可见光光催化剂以其独特的电子结构和优良的可见光吸收能力，引起研究者的极大兴趣。常见的铋系光催化剂包括铋氧化物、钛酸铋、钒酸铋、钨酸铋、钼酸铋、铁酸铋等。其中铁酸铋不仅带隙能较窄可对可见光进行吸收，同时还具有较强的铁磁性，可通过磁分离对光催化剂进行回收利用，节约能源和资源。

尽管铁酸铋在可见光下的光催化活性较TiO₂有了一定提高，但其光量子效率仍待加强，光催化活性亦有待改善。目前对铁酸铋及铁酸铋复合材料的研究尚处于探索阶段，对其制备方法、改性以及光催化降解污染物机理等方面尚需更深入的探讨。有研究表明，将石墨烯和半导体光催化材料复合，可提高半导体的可见光催化性能。如将铁酸锌和石墨烯复合后光催化性能较纯的铁酸锌都有了较大的提高。表明石墨烯的复合可改善原材料的光生电子与空穴间的复合作用，使光生电子和空穴能更好的分离。此外，石墨烯较大的比表面积对吸附性能的改善，亦可进一步提高材料的可见光催化性能。

因此，结合铁酸铋和石墨烯材料的各自优势，利用简单易控的一步水热法制备出铁酸铋-石墨烯复合材料。将该复合材料用于可见光催化降解亚甲基蓝溶液，可取得良好的催化降解效果。且反应完的催化剂可通过磁性分离，易于回收再利用，对可见光催化技术的发展具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有较高可见光活性的磁性铁酸铋-石墨烯复合光催化剂及其制备方法，并将该催化剂应用在可见光催化处理污染物方面。

实现本发明目的的技术解决方案为制备一种磁性铁酸铋-石墨烯催化剂，所述催化剂中铁酸铋的质量分数为60%~95%，石墨烯的质量分数为5%~40%。

上述催化剂的制备方法如下：

（1）采用Hummers方法合成氧化石墨，并超声分散于水中；

（2）将Bi(NO₃)₃ 和Fe(NO₃)₃溶于稀硝酸，不断搅拌条件下加入碱溶液至溶液呈碱性；

（3）将（1）制得的氧化石墨加入（2）中，超声混合，水洗；

（4）往（3）中加入碱溶液和矿化剂溶液，搅拌混合，转移至反应釜水热反应；

（5）将（4）所得产物离心分离后洗涤，干燥得到铁酸铋-石墨烯复合催化剂。

步骤（1）中所述的超声时间为30~60min，所述的超声温度为25~35℃；

步骤（2）所述的Bi(NO₃)₃ 和Fe(NO₃)₃摩尔比为1:1，所述溶液的pH值为8~10，所述的碱为KOH、NaOH或氨水；

步骤（3）中所述的氧化石墨质量占反应产物（铁酸铋-石墨烯复合催化剂）的5%~40%，所述的超声时间为30~60min，所述的超声温度为25~35℃；

步骤（4）中所述的矿化剂为硝酸钾，所述的矿化剂与Bi(NO₃)₃摩尔比为20:1，所述的碱为KOH、NaOH或氨水，所述溶液的pH值为8~10。

将上述制备方法制得的铁酸铋-石墨烯光催化剂用于处理环境中的污染物。

本发明的有益效果为：本发明提供一种合成铁酸铋-石墨烯的制备方法，该方法可一步合成Bi₂₅FeO₄₀-石墨烯复合催化剂，同时完成氧化石墨的还原和铁酸铋-石墨烯的复合。将所得催化剂用于亚甲基蓝的可见光催化降解，催化活性良好，反应完催化剂可磁选分离后回用。

附图说明