[发明专利]一种钒酸铋纳米棒高效光催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光催化剂，尤其是涉及一种钒酸铋纳米棒高效光催化剂及其制备方法。

背景技术

环境恶化和能源危机是目前制约人类可持续发展和影响人类生活质量的两个突出的社会难题。太阳能作为一种取之不尽用之不竭的清洁能源，受到人类的极大重视，太阳能发电技术的普及不仅有效缓解了能源短缺问题，也一定程度上从侧面缓解了环境压力；同样地，利用太阳能直接治理某些环境污染问题也越来越受到人们的重视，并发展了各种各样的技术手段。

环境污染中一类主要的污染物便是水体和空气中的有毒有机物，尤其是在纺织、印染、造纸等工业排放的废水中，有机染料等难自然降解的有机物在废水中占有非常高的比例；饮用水和新装修的室内空气中也含有能对人身体造成巨大危害的微量有机物，如自来水中的消毒副产物氯乙酸等和新装修房间中释放的甲醛等；科研院所的实验室和化工企业的厂房内的空气污染同样令人担忧。研究表明，一些半导体在光照下除了能够直接转换为电能外，由光激发产生的电子和空穴分别具有相当的还原能力和氧化能力，若光生空穴能够迁移到半导体表面，便能氧化降解很多种有毒有机物产生无毒的二氧化碳，为利用太阳能治理环境污染提供了一条非常有意义的途径。目前，人们已发现的可光降解有机物的半导体有很多种，其中二氧化钛是被研究的最多也最成熟的一种光催化剂，它具有成本低、化学稳定性好、无光腐蚀、环保无污染等非常多的优点，但因带隙较宽(3.2eV)，只能对占太阳光4％的紫外光产生响应，因而效率非常低，成为限制其应用的主要因素。因此研究开发具有二氧化钛优点并且能量利用率高的光催化剂非常迫切。

钒酸铋是一种新型光催化剂，有多种晶型，但单斜白钨矿型钒酸铋的光催化性能被证明是最优的，其带隙仅为2.4eV，能够对很大范围的可见光响应，从而克服了二氧化钛低能量利用率的缺点，具有优异的可见光光催化活性；此外，钒酸铋的化学稳定性和光稳定性同样优越，并且无毒无污染，因而也常被用作涂料。鉴于钒酸铋的优异特性，针对钒酸铋的研究工作也越来越多，人们对其光催化的物理本质也有了更清楚的认识。尽管如此，由于钒酸铋中电子空穴复合率高，电荷传输性能差等因素，其光催化活性仍然有很大的提高空间。目前，人们已通过制备复合结构、掺杂、负载等技术手段一定程度提高了钒酸铋的光催化活性，但这种方式成本较高；另一种提高其光催化活性的方式是控制钒酸铋晶体的形貌，一般通过加各种螯合剂或表面活性剂来达到目的，并已取得了明显的效果，球型、哑铃型纳米颗粒，正八面体形、截角八面体型纳米晶，量子管，纳米片等均已有所报道。

众所周知，大的比表面积是各种光催化剂追求的目标之一，因巨大的比表面积可提供更多的反应位点，提高光催化降解有机污染物的速率，而提高钒酸铋比表面积的最主要途径便是降低制备的钒酸铋晶体的尺寸；减小钒酸铋的尺寸还能够缩短光生电子和空穴迁移到催化剂表面的传输距离，提高光生电子空穴的存活率；此外，晶体表面缺陷也是提高光催化剂吸附能力的重要因素。研究还表明，钒酸铋不同晶面的光催化活性差异性很大，光生电子特别容易在{010}晶面上聚集，【Li，R.；Zhang，F.；Wang，D.；Yang，J.；Li，M.；Zhu，J.；Zhou，X.；Han，H.；Li，C.，Spatial separation of photogenerated electrons and holes among{010}and{110}crystal facets of BiVO₄.Nature communications，2013.4：p.143.】但只有光照下产生的空穴才能氧化降解有毒有机物，因此在[010]取向棒状钒酸铋晶体中，电子将优先聚集在纳米棒两端，这样不仅提高了电子空穴的分离效率，还使空穴更稳定的分布在纳米棒侧面，非常有利于有机物的降解。因此开发一种简单易行，成本低，绿色无污染的方法来制备具有大量表面缺陷的、纳米尺寸的、具有[010]取向的钒酸铋纳米棒具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种表面能产生大量氧空位，且比表面积高，对有毒有机污染物具有很强的吸附能力的钒酸铋纳米棒高效光催化剂及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种钒酸铋纳米棒高效光催化剂，其特征在于，该催化剂的形貌为棒状，尺寸在纳米级，该纳米棒直径为15-30nm，长径比为5-40，比表面积为28.2m²·g^-1，晶相为单斜白钨矿相，生长方向为[010]方向。