[发明专利]一种高活性N-F共掺杂钒酸铋可见光光催化材料的合成方法

说明书

技术领域

本发明属于环境污染治理技术领域，涉及一种以柠檬酸络合溶胶-凝胶法制备N-F共掺杂钒酸铋光催化材料的方法。

背景技术

随着现代工业的发展，特别是有机化工和印染业，使得人类居住的环境污染日益加重。对于一些高浓度、难降解的有机废水，采用传统的生化和化学处理法难以取得理想效果。而光催化氧化法由于具有对降解各种有机和无机污染物的普适性、节约能源和无二次污染等优点，使它成为在有机废水处理最有前途的方法之一。半导体光催化剂技术，其中TiO₂是研究最为广泛的光催化剂之一，但由于TiO₂本身还存在一些不足，如半导体载流子的复合率高，量子效率低，光吸收波长窄，利用太阳光的比例低，且难以处理量大、污染物浓度大的废水。为了提高光催化剂的活性以及提高对太阳能的利用率，研究者通过多种途径对TiO₂进行改性研究，使其吸收红移；另一方面则不断寻找开发新型可见光响应的光催化材料。

而BiVO₄ 就是近年来倍受关注的新型可见光光催化材料之一。BiVO₄是一种稳定的半导体材料，其禁带宽度约为2.4 eV，非常接近于太阳光谱的中心（2.6 eV，其吸收边可以延伸到约520nm，表观颜色为橙黄色，是一种性能优良的新型可见光响应光催化材料。因其具有无毒、高稳定性、高太阳光利用率等优点，在农药废水、城市污水和工业污水等环境净化领域中已经展示出良好的可见光催化降解性能和广阔的工业化应用前景。研究报道BiVO₄主要有3种晶体结构，包括四方晶系白钨矿型(高温相)、四方晶系硅酸锆型和单斜晶系变形白钨矿型(褐钇铌矿型)。其中单晶白钨矿结构的单体BiVO₄的光催化活性相对最高。但由于BiVO₄的导带边位于0V，其光生电子不容易被空气中的氧气捕获而在催化剂表面积累，增加了电子与空穴的复合几率，致使在可见光下降解有机物的能力较差。因此在这种情况下快速捕获光激发电子，抑制其与高能空穴的复合，对提高此类光催化剂可见光催化降解污染物的效率至关重要。为此，科研学者对BiVO₄进行了研究探索，以期提高其光催化活性。目前文献报道的方法主要有形貌调控、过渡金属离子及金属氧化物、稀土元素的掺杂、半导体的复合和贵重金属的负载等。但这些方法对活性的提高有限，且其制备方法复杂、成本高和制备的光催化材料光催化活性不稳定等缺陷。

发明内容

本发明的目的是针对钒酸铋光催化材料可见光催化效率低及现有改性技术的不足，而提供的一种制备过程简单、容操作、成本和设备要求低的N-F共掺杂钒酸铋的制备方法，该方法得到的光催化剂具有很高的可见光催化活性，能快速降解染料废水中的有机污染物。

采用的技术方案是：

一种高活性N-F共掺杂钒酸铋可见光光催化材料的合成方法，包括以下工艺步骤：

1）以质量百分比为97%的Bi(NO₃)₃·5H₂O、98.5%的NH₄VO₃为源物质，以质量百分比为99.5%的柠檬酸作为螯合剂，按摩尔比为1:2的比例称取4.8580 g（0.01 mol）的Bi(NO₃)₃·5H₂O和4.2028 g（0.02 mol）的一水柠檬酸（C₆H₈O₇·H₂O），将一水柠檬酸加入到预先用10 mL浓度为10%的稀硝酸溶解的50mL Bi(NO₃)₃·5H₂O溶液中，得A液；按摩尔比为1:2的比例称取1.1698 g（0.01 mol）的NH₄VO₃和4.2028 g（0.02 mol）的一水柠檬酸（C₆H₈O₇·H₂O），溶于50mL沸腾的蒸馏水中，得B液；按Bi:V=1:1的摩尔比混合A液和B液，再按照NH₄F与Bi³⁺的摩尔比为0-15%投加0.0074g、0.0148g、0.0222g、0.0370g或0.0555g，的NH₄F入混合溶液，再用氨水调节pH值为6-7，在80 ℃下持续搅拌，蒸发，最后得到深蓝色钒酸铋前躯体溶胶。