[发明专利]一种钒酸铋基光催化剂及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及光催化剂，具体是涉及一种钒酸铋基光催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

光催化是一种具有很好发展前景的技术，已经在光催化降解有机污染物方面有着活跃的应用，同时在光解水方面也有很好的应用潜力。此外，在光催化有机合成当中也具有很好的应用前景。1912年，Ciamician首次提出了光催化有机合成的理念，随后光催化有机合成方法得到了快速的发展。利用太阳光从丰富而廉价的原料来生产高附加值化学品的方法被认为是最有吸引力的实现可持续化学合成的方式之一。光催化有机合成当中涉及多种氧化还原反应，其中碳碳偶联反应具有十分重要的研究意义，特别是小分子的碳碳偶联反应在其中占据了重要的地位。碳碳键的形成是有机合成过程中的核心内容。传统的碳碳偶联反应存在反应条件苛刻，原子经济性差和环境不友好等缺点，而光催化碳碳偶联反应通常反应条件温和，反应路径短，原子经济性高，具有广阔的应用和发展前景。

二元醇是一种重要的基础化工原料，在聚酯工业中作为交联剂和扩链剂等有着十分重要的应用，此外在食品、医药和化妆品工业中被广泛用作吸湿剂、抗冻剂、润滑剂和溶剂等。目前需求量较大的二元醇主要有乙二醇、丙二醇、丁二醇和己二醇等。乙二醇在聚酯和防冻剂等方面有着广泛的应用，2010年乙二醇的全球需求量便达到了2000万吨，并以每年5～10％的速度在增长。目前乙二醇的主要工业生产路线有乙烯环氧化水解路线和草酸酯加氢路线。丙二醇是不饱和聚酯、环氧树脂、聚氨酯树脂的重要原料，这方面的用量约占丙二醇总消费量的45％左右，其工业生产方法主要为环氧丙烷水解路线。多数二元醇的生产都是以石油或煤基原料，经过多步骤过程制备的，普遍存在合成路线长、生产方法比较复杂、能耗较高以及对环境不友好等问题。因此，寻求新的绿色合成方法用于生产二元醇对于相关产业的发展十分重要。

低碳醛主要有甲醛、乙醛等，甲醛在工业上主要是由甲醇或甲烷通过催化氧化制备，而乙醛主要由乙醇或乙烯通过催化氧化制备，因此具有价廉易得的优点。以甲醛或乙醛为原料，通过光催化碳碳偶联的方法来一步制备乙二醇、丙二醇和丁二醇等二元醇的合成路线具有绿色环保、经济可行的优点。该光催化碳碳偶联合成路线的实施关键在于高效半导体光催化材料的设计合成。

半导体材料的形貌及其暴露晶面对于其光催化性能有显著影响。棱台形钒酸铋暴露的特定晶面为{010}和{110}晶面，目前对其形貌和暴露晶面比例的控制仍较为困难。已有文献报道可通过加入表面活性剂或晶面导向剂来控制钒酸铋的形貌和晶面，但方法较为复杂，无法实现暴露晶面比例宽范围的调变，控制效果并不理想。因此有必要发展一种简单有效的方法来控制钒酸铋的形貌和晶面，进而促进其光生电子和空穴的分离，并促进表面反应过程，从而达到高的光催化活性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种暴露晶面比例可调的钒酸铋基光催化剂及其制备方法。

本发明的另一目的在于提供所述钒酸铋基光催化剂在光催化转化甲醛或乙醛制二元醇中的应用。所述二元醇包括乙二醇、丙二醇、丁二醇。

所述钒酸铋基光催化剂的化学式为BiVO₄，其晶相为单斜相，其晶粒尺寸为1～5μm，其形貌为棱台形，其暴露的特定晶面为{010}和{110}晶面。

所述钒酸铋基光催化剂的制备方法，具体步骤如下：

先将前驱体NH₄VO₃和Bi(NO₃)₃溶解在硝酸水溶液中，并用氨水调节溶液的pH值，然后加入可溶性氯化盐用于调节溶液中氯离子的浓度，陈化后，将沉淀物转移至聚四氟内衬的不锈钢高压釜中进行水热处理；然后将橙黄色粉末过滤分离，并用去离子水洗涤，干燥后焙烧，即得钒酸铋基光催化剂。

所述NH₄VO₃和Bi(NO₃)₃的摩尔量可为20～80mmol，硝酸水溶液的体积可为100～400mL，硝酸的浓度可为1～4M，氨水调节后溶液的pH值可为1～3。

所述可溶性氯化盐可采用MCl_x，其中，M可选自Ia,IIa,IIIa,IVa,Ib,IIb,IIIb,IVb,Vb,VIb,VIIb,VIII族中的金属元素，且1≤x≤4，氯离子的浓度可为0.01～5.0mol dm^-3。

所述陈化的时间可为2h。