[发明专利]一种三维有序大孔InVO4-BiVO4异质结的可见光响应光催化剂、制备及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有可见光响应的三维有序大孔材料，具体地说涉及在可见光照射下高效降解罗丹明B和亚甲基蓝等有机染料的光催化材料、制备及应用，属于可见光响应催化剂技术领域。

背景技术

单斜相InVO₄具有优良的可见光催化活性，在光催化分解水和降解污水中有机物等方面有着诱人的应用前景，其传统制备方法包括固相法(J.Ye,et.al.,J.Chem.Phys.Lett.2002,356:221)、水热法(G.C.Xiao,et.al.,Chinese J.Inorg.Chem.2004,20:195)、溶胶-凝胶法(L.Zhang,et.al.,J.Solid State Chem.2006,179:804)等。本课题组最近以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球堆积而成的具有三维有序结构的硬模板制备了具有三维有序大孔(3DOM)结构的单斜相InVO₄(Y.Wang,et.al.,Chem.Eng.J.2013,226:87),其在可见光照射下降解亚甲基蓝(MB)染料表现出了较高的可见光催化活性，但却对罗丹明B(RhB)染料的降解活性较差(Y.Wang,et.al.,Solid State Sci.2013,24:62)。单斜相BiVO₄是另一种具有较高可见光催化活性的新材料。本课题组曾经采用水热法合成了具有多孔橄榄球状、多分枝状、多孔八角状、树叶状、棒状、花束状、管状的等多种形貌的单斜相BiVO₄，它们在可见光照射下降解甲基橙和MB等有机染料同样表现出较好的光催化性能(X.Meng,et.al.,Mater.Chem.Phys.2011,125:59)，但光催化性能仍然不够理想。本课题组也曾开发出用于降解苯酚的3DOM BiVO₄光催化剂，其光催化活性较橄榄球状BiVO₄有所提高。研究发现，影响光催化活性的因素很多，而针对这些影响因素的改性方法则主要围绕着提高材料对光能的吸收和转化以及促进光生载流子的有效分离和捕获。迄今为止，研究者总结出以下方法来提高材料的光催化活性：(a)制备表面具有缺陷结构的材料；(b)减少颗粒尺寸；(c)制成复合半导体；(d)掺杂金属离子。

迄今为止，尚无文献和专利报道过此种具有异质结和3DOM结构的InVO₄-BiVO₄复合型光催化剂。

发明内容

本发明的目的在于提供制备一种三维有序大孔InVO₄-BiVO₄异质结的可见光响应光催化剂及其制备方法，此催化剂具有异质结和周期性分布的3DOM结构，比表面积大、孔隙率高且孔壁上分布有介孔结构，能够高效地降解RhB、MB等有机染料。具体涉及以抗坏血酸为络合剂的PMMA硬模板法。

一种三维有序大孔InVO₄-BiVO₄异质结的可见光响应光催化剂，其特征在于，该催化剂为具有三维有序大孔结构且孔壁上具有介孔结构的由单斜相InVO₄和BiVO₄构成复合结构的光催化剂，平均孔径为100～200nm,孔壁壁厚为20～40nm，孔壁介孔孔径为2～10nm,带隙能为2.5～2.6eV。上述3DOM InVO₄-BiVO₄可见光响应光催化剂的制备方法，其特征在于，采用PMMA微球模板法制备，主要步骤包括：在搅拌条件下，按摩尔比4:1:5将硝酸铟、硝酸铋和抗坏血酸溶于乙二醇、甲醇、浓盐酸和去离子水构成的混合溶剂中，然后将得到的溶液转移至于70℃的水浴锅中继续搅拌，将与总硝酸盐等摩尔量的偏钒酸铵加入到上述溶液，至完全溶解后将此溶液的温度降至室温。其中，每10mmol抗环血酸对应1.5mL乙二醇、7.5mL甲醇、1.0mL质量分数为68wt％的浓盐酸和7.0mL去离子水；称取有序排列的聚甲基丙烯酸甲酯微球构成硬模板于前驱液中浸渍3h，经抽滤后于室温下进行干燥；将所得的前驱物置于管式炉中通过两步焙烧法得到目标光催化剂：(1)在氮气气氛中,以1℃/min的速率从室温升至300℃并在该温度下保持3h；(2)待管式炉温度降至50℃以下，切换为空气气氛，以1℃/min的速率升至450℃并在此温度下保持4h；冷却至室温，即得到三维有序大孔InVO₄-BiVO₄异质结构的可见光响应光催化剂。