[发明专利]一种硅酸铋粉体光催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅酸铋粉体光催化剂的制备方法，属于环境光催化水处理技术领域。

背景技术

硅酸铋晶体是一种宽带隙、高电阻率的非铁电立方半导体。它具有电光、光电导、光折变、压电、声光、旋光及法拉弟旋转等多种效应，是一种有广泛前途的光信息材料。利用硅酸铋晶体的电光和光电导性能，在室温下用低功率激光就可实现许多种非线性光学变换。硅酸铋晶体是目前所获得的灵敏度最高、响应速度最快的几种光折变材料之一，因而在实时光信息处理和光运行计算等技术中有广泛的应用。

硅酸铋晶体材料的研究至今已有二十多年之久，最初它是被作为一种压电材料和光折变材料来研究的，但近年来，作为一种重要的光电材料，硅酸铋晶体已引起材料科学和光催化领域科学家的极大重视。目前国内外生长硅酸铋单晶的方法均是采用自熔融提拉法，制得硅酸铋为大体积晶体。传统的固相反应烧结法可以以氧化铋和氧化硅粉末为原料混合，通过固相反应而制得硅酸铋粉体。这一方法的缺点是两种原料的混合难以达到完全均一，而且在高温下晶粒生长、团聚，难以获得理想大小粉体颗粒。同时由于氧化铋在高温(＞800℃)下的挥发特性，在热处理后会导致偏离理想的化学计量比的不合格产品的出现。

文献“Journal of Materials Science Letters 1999，18：1871-1874”是采用机械合金化来制备硅酸铋粉体的。该方法是以氧化铋和氧化硅粉末为原料，经高能球磨直接制备硅酸铋纳米粉体，该方法利用了两种粉体在反复地碰撞和粉碎过程中发生的机械合金化反应来合成目标产物，省去了高温热处理过程。但机械合金化法所需时间长，生产效率低，不适于批量生产硅酸铋粉体。

此外，合成硅酸铋粉体的方法还有溶胶凝胶法和溶剂挥发法。文献“柏朝晖、巴学巍、贾茹、刘波、肖志义、张希艳无机化学学报2006，22：1327-1329”以溶胶凝胶法制备了纳米尺寸的硅酸铋粉体，并对其光激发特性进行了研究，但未对其光降解性能进行考察；文献“CN1821088A硅酸铋纳米粉体的制备方法及应用”采用溶剂挥发法制备了纳米级的硅酸铋粉体，并对其光催化降解水中刚果红的性能进行了评价，认为硅酸铋作为光催化剂具有较大的开发潜力。

上述工作成功实现了硅酸铋粉体的人工合成，方法也较为成熟和稳定，但所得硅酸铋材料均为纳米粉体，颗粒度较小，依然无法解决催化剂从水体中分离的问题；而且这些材料的比表面积有限，在水体中无法吸附大量的有机物进行降解反应，因此需要对其结构和形态进行进一步改善，使之能更好的为水体净化行业服务。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于降解有机污染物的具有高光催化活性、大比表面积和大颗粒尺寸的硅酸铋粉体光催化剂及其制备方法。该光催化剂比表面积更大，更容易分离回收，而且保持了纳米硅酸铋粉体的高催化活性，故具有更好的工业化前景。

本发明提出的用于降解有机污染物的微米级颗粒度的硅酸铋粉体光催化剂是由300～500纳米大小的晶粒簇聚而成的直径在10～30微米的大颗粒，具有独特的多孔结构(见附图1)，比表面积在3～10平方米/克。

该硅酸铋粉体光催化剂采用溶剂热法合成，其中硅的来源为硅酸酯，铋的来源为五水硝酸铋，合成时各组份的摩尔比为硅酸酯∶硝酸铋∶乙酸∶嵌段共聚体表面活性剂＝1∶12∶350∶0.17～0.34。

本发明提出的用于降解有机污染物的硅酸铋粉体光催化剂的具体制备方法如下：1)将五水硝酸铋溶解在0.008～0.016摩尔/升嵌段共聚体表面活性剂的乙酸溶液中，形成硝酸铋浓度为0.7摩尔/升的含铋溶液；2)按摩尔比铋∶硅＝12∶1计，将硅酸酯加入到含铋溶液中，充分搅拌，形成均匀的溶胶；3)将溶胶在室温下陈化3小时后，移入带聚四氟乙烯衬套的高压釜内，在120℃～160℃下密闭晶化24～48小时，取出晶化产物铋硅复合氧化物凝胶，过滤、洗涤、120～150℃下干燥，得到硅酸铋粉体的前驱体；4)在空气环境中对前驱体粉末于380～550℃下高温焙烧3小时后，即得团聚体尺寸为10～30微米，晶粒大小在300～500纳米之间的硅酸铋粉体光催化剂。

本发明中，所用硅酸酯为正硅酸乙酯、正硅酸甲酯之一种；结构导向剂为嵌段共聚体表面活性剂P123、F108、F127之一种。其中P123的分子式为PEO20-PPO70-PEO20，分子量为5750克/摩尔；F108的分子式为PEO132-PPO50-PEO132，分子量为15500克/摩尔；F127的分子式为PEO106-PPO70-PEO106，分子量为14600克/摩尔。