[发明专利]一种制备三维有序大孔BiVO4负载的Fe2O3和贵金属光催化剂及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备三维有序大孔BiVO₄负载的Fe₂O₃和贵金属光催化剂的方法，具体地说涉及同时具有三维有序大孔结构、异质结、梯度结构表面和等离子体共振效应的三相复合结构的BiVO₄负载Fe₂O₃和贵金属(如Au、Pd等)光催化剂及其制备方法，属于可见光响应催化剂技术领域。

背景技术

单斜相BiVO₄是一种可见光响应催化材料，光催化性能与其晶相结构、比表面积、晶粒尺寸和形貌有关。采用共沉淀法、水热法、化学沉积法、有机分解法和超声化学法等方法可获得不同形貌(如管状、线状、球型、片状、带状、空心和板状)的单斜相BiVO₄。但是所得绝大多数BiVO₄都是纳微米体相材料，比表面积低(<4m²/g)，不利于光催化性能的提高。研究表明，比表面积决定催化剂表面活性位数量，而多孔结构则有助于捕获入射光和反应物分子的传质。因此研发高比表面积和多孔结构的BiVO₄光催化剂的可控合成方法具有重要的理论意义和实用价值。国内外学者已经报道了多种高比表面积BiVO₄催化剂的合成方法，例如：以介孔二氧化硅为硬模板，采用纳米浇铸法制备了有序介孔BiVO₄(59m²/g)，发现其对MB降解具有优异的光催化性能[G.S.Li,et.al.,Chem.Mater.2008,20:3983]；Zhou等[Y.Zhou,et.al.,Appl.Catal.A:Gen.2010,375:140]采用水热法制备了高比表面积的单斜相BiVO₄(16m²/g)，观察到很高的光催化活性；Tada及其合作者[S.I.Naya,et.al.,Langmuir2011,27:10334]报道了在无氧化剂存在情况下，单斜相BiVO₄可直接光催化分解乙酰丙酮铜。近年来，人们也已意识到周期性排列的有序纳米结构在光催化领域的潜力，制备出了具有三维有序大孔(3DOM)结构的TiO₂[E.S.Kwak,et.al.,Adv.Funct.Mater.2009,19:1093]和BiVO₄[M.Zhou,et.al.,Angew.Chem.Inter.Ed.2013,52:8579]等等。

至今为止，尚无尚无文献和专利报道过同时具有3DOM结构、异质结、梯度结构表面和等离子体共振效应的三相复合结构的BiVO₄负载Fe₂O₃和贵金属(如Au、Pd等)的纳米光催化剂M/Fe₂O₃/3DOM BiVO₄。

发明内容

本发明的目的在于提出一种制备新型高效可见光响应光催化剂的设计理念，提供三维有序大孔BiVO₄负载Fe₂O₃和贵金属光催化剂，此催化剂同时具有3DOM结构、异质结、梯度结构表面以及等离子体共振效应。具体涉及以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球为模板的胶晶模板法、以异丙醇为溶剂的等体积浸渍法和以聚乙烯醇(PVA)为保护剂的低温鼓泡还原法。

三维有序大孔BiVO₄负载Fe₂O₃和贵金属光催化剂，其特征在于，该催化剂具有3DOM结构，平均孔径为100～200nm，二级窗口大小为40～70nm，孔壁壁厚为15～30nm，p型半导体Fe₂O₃均匀分散于3DOM结构BiVO₄载体孔表面，负载的贵金属(如Au、Pd)以纳米簇形式附着于3DOM结构BiVO₄载体孔表面，各光催化剂的比表面积为15～30m²/g，具有二级带隙能，分别为2.47～2.51eV和1.82～1.89eV。优选Fe₂O₃的质量百分含量为4wt％，贵金属的负载量为0.2wt％。