CN104399505B - 氟、氮共掺杂磷酸铋-氧化亚铜光催化材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氟、氮共掺杂磷酸铋-氧化亚铜光催化材料，由氟、氮共掺杂磷酸铋和氧化亚铜组成，其中氟、氮共掺杂磷酸铋和氧化亚铜的摩尔比为1：0.2～1。本发明还公开了其制备方法：将氟、氮共掺杂磷酸铋粉体分散于二水氯化铜中，然后滴加聚乙烯吡咯烷酮和氢氧化钠溶液后在加入L-抗坏血酸溶液移至水热反应釜进行微波水热处理，自然冷却至室温，将得到的产物离心分离，洗涤，干燥，得到。本发明通过非金属氟和氮离子共掺杂有效提高了磷酸铋半导体界面处电子的捕获能力，增强电子空穴的迁移效率；增加磷酸铋半导体中氧空位浓度，进而提高磷酸铋光催化的光催化活性。
Description
技术领域
本发明属于无机环保光催化材料技术领域，具体涉及一种氟、氮共掺杂磷酸铋-氧化亚铜光催化材料，本发明还涉及上述光催化材料的制备方法。
背景技术
具有高量子效率、能充分利用太阳能的高活性光催化材料的制备及应用，已成为材料学、化学、能源和环境科学领域广泛关注和研究的热点课题。光催化材料研究中的两个关键问题是提高光催化剂的活性与拓展光催化剂的吸收波长，因而所有的新型光催化体系的设计思路，均是针对这两个问题进行的，从这一目的出发，目前多数的新型光催化体系主要集中在复合金属氧化物以及基于此的硫、氮取代化合物。涉及磷酸盐光催化材料的报道很少，而磷酸盐有许多利于催化活性的特性，如磷酸盐结构稳定性好，在光催化反应体系中相对于金属氧化物其氧空位缺陷形成能较高，这就导致磷酸盐晶体中氧空位缺陷很少，即复合中心数量少，使电子与空穴容易分离，有利于形成光催化反应的进行。同时，绝大多数光催化材料都会发生空穴腐蚀(ZnO、CdS和MoS2)和电子腐蚀(GaP、Cu2O和GaN)，而磷酸根离子是高价态很难被化学还原，不易被光腐蚀，如果磷酸盐中的金属离子同样稳定，这种光催化剂在光照下便几乎不发生光腐蚀。而且，磷酸盐拥有较大的负电荷，会产生很大的诱导效应，因而有利于光生电子的传输。此外，磷酸盐表面与水有强的相互作用，根据热力学原理，表面磷酸根在与水分子作用时，会与水中的质子产生强烈的作用，进而有利于水分子的解离产生羟基。
磷酸铋作为一种结构稳定的磷酸盐半导体材料，在光学、烷烃的选择性催化氧化、氨的催化氧化等领域有着诸多的应用。近两年，涉及磷酸铋光催化剂的研究已有报道，但该类光催化剂的禁带宽度较大，只能被紫外光激发，对太阳光利用率较低。因此，拓宽磷酸铋的光吸收范围，对磷酸铋光催化材料的应用具有一定的科学意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种氟、氮共掺杂磷酸铋-氧化亚铜光催化材料，通过非金属离子掺杂增加磷酸铋半导体中氧空位浓度，进而提高磷酸铋光催化的光催化活性。
本发明的另一个目的是提供一种氟、氮共掺杂磷酸铋-氧化亚铜光催化材料的制备方法。
本发明所采用的技术方案是，氟、氮共掺杂磷酸铋-氧化亚铜光催化材料，由氟、氮共掺杂磷酸铋和氧化亚铜组成，其中氟、氮共掺杂磷酸铋和氧化亚铜的摩尔比为1：0.2～1。
本发明的特点还在于，
氟、氮共掺杂磷酸铋中铋离子、氟离子和氮离子的摩尔比为1：0.5～1：0.5～1，其中氟离子和氮离子的摩尔比为1：1。
本发明所采用的另一个技术方案是，氟、氮共掺杂磷酸铋-氧化亚铜光催化材料的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：将五水硝酸铋溶解于质量浓度为65％的硝酸溶液，得到溶液A；将磷酸盐溶于水，得到溶液B；将溶液A和溶液B混合均匀得到溶液C；将氟化铵加入溶液C，得到溶液D；将溶液D转移至水热反应釜，并置于微波反应器中利用微波加热至150～250℃微波水热处理1～3h，取出后自然冷却至室温，将得到的产物离心分离，去离子水洗涤3次，于80℃干燥12h，得到氟、氮共掺杂磷酸铋粉体；
步骤2：将步骤1得到的氟、氮共掺杂磷酸铋粉体分散于浓度为0.01～0.1mol/L的二水氯化铜溶液，得到悬浮液E；将聚乙烯吡咯烷酮溶解于浓度为1～2mol/L的氢氧化钠溶液，搅拌状态下逐滴加入溶液E，得到溶液F；将浓度为0.6～1.2mol/L的L-抗坏血酸溶液逐滴加入溶液F，持续搅拌并陈化3h，得到悬浮液；将上述悬浮液离心、过滤、洗涤，于80℃干燥12小时，得到氟、氮共掺杂磷酸铋-氧化亚铜光催化材料。
本发明的特点还在于，
步骤1中五水硝酸铋和硝酸的质量比为1：5～10；磷酸盐和水的质量比为1：5～10；溶液C中铋离子和磷酸根离子的摩尔比为1：1；铋离子和氟化铵的摩尔比为1：0.5～1。
步骤1中磷酸盐是磷酸钠、磷酸氢钠、磷酸二氢钠、磷酸钾、磷酸氢钾或磷酸二氢钾的一种或多种组合。
步骤2中铋离子和铜离子的摩尔比为1：0.2～1；铜离子、聚乙烯吡咯烷酮和氢氧化钠的摩尔比为1：0.1～0.2：10～20；铜离子和L-抗坏血酸的摩尔比为1：4～10。
本发明的有益效果是，
1.本发明氟、氮共掺杂磷酸铋-氧化亚铜光催化材料，具有以下特点：第一、通过非金属氟和氮离子共掺杂来有效提高磷酸铋半导体界面处电子的捕获能力，增强电子空穴的迁移效率；第二、通过非金属离子掺杂增加磷酸铋半导体中氧空位浓度，进而提高磷酸铋光催化的光催化活性；第三、窄禁带宽度半导体氧化亚铜的存在，可以有效提高磷酸铋在可见光的吸收特性；第四、n型半导体磷酸铋和p型半导体氧化亚铜在界面处能够形成p-n异质节，有效促进光生载流子的分离，进而提高复合体系光催化活性。因此，本发明提出的原位掺杂型磷酸铋/氧化亚铜复合光催化剂不仅可以拓宽光吸收特性，还可以提高光催化活性。
2.本发明氟、氮共掺杂磷酸铋-氧化亚铜光催化材料的制备方法，特点是在较低温度下完成材料的合成，工艺过程简单，复合体系成分易于控制。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明氟、氮共掺杂磷酸铋-氧化亚铜光催化材料，由氟、氮共掺杂磷酸铋和氧化亚铜组成，其中氟、氮共掺杂磷酸铋和氧化亚铜的摩尔比为1：0.2～1。
氟、氮共掺杂磷酸铋中铋离子、氟离子和氮离子的摩尔比为1：0.5～1：0.5～1，其中氟离子和氮离子的摩尔比为1：1。
本发明氟、氮共掺杂磷酸铋-氧化亚铜光催化材料，具有以下特点：第一、通过非金属氟和氮离子共掺杂来有效提高磷酸铋半导体界面处电子的捕获能力，增强电子空穴的迁移效率；第二、通过非金属离子掺杂增加磷酸铋半导体中氧空位浓度，进而提高磷酸铋光催化的光催化活性；第三、窄禁带宽度半导体氧化亚铜的存在，可以有效提高磷酸铋在可见光的吸收特性；第四、n型半导体磷酸铋和p型半导体氧化亚铜在界面处能够形成p-n异质节，有效促进光生载流子的分离，进而提高复合体系光催化活性。因此，本发明提出的原位掺杂型磷酸铋/氧化亚铜复合光催化剂不仅可以拓宽光吸收特性，还可以提高光催化活性。
上述氟、氮共掺杂磷酸铋-氧化亚铜光催化材料的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：将五水硝酸铋溶解于质量浓度为65％的硝酸溶液，得到溶液A，其中五水硝酸铋和硝酸的质量比为1：5～10；将磷酸盐溶于水，得到溶液B，其中磷酸盐和水的质量比为1：5～10；将溶液A和溶液B混合均匀得到溶液C，其中溶液C中铋离子和磷酸根离子的摩尔比为1：1；将氟化铵加入溶液C，得到溶液D，其中铋离子和氟化铵的摩尔比为1：0.5～1；将溶液D转移至水热反应釜，并置于微波反应器中利用微波加热至150～250℃微波水热处理1～3h，取出后自然冷却至室温，将得到的产物离心分离，去离子水洗涤3次，于80℃干燥12h，得到氟、氮共掺杂磷酸铋粉体；
步骤2：将步骤1得到的氟、氮共掺杂磷酸铋粉体分散于浓度为0.01～0.1mol/L的二水氯化铜溶液，得到悬浮液E，其中铋离子和铜离子的摩尔比为1：0.2～1；将聚乙烯吡咯烷酮溶解于浓度为1～2mol/L的氢氧化钠溶液，搅拌状态下逐滴加入溶液E，得到溶液F，其中铜离子、聚乙烯吡咯烷酮和氢氧化钠的摩尔比为1：0.1～0.2：10～20；将浓度为0.6～1.2mol/L的L-抗坏血酸溶液逐滴加入溶液F，持续搅拌并陈化3h，得到悬浮液，其中铜离子和L-抗坏血酸的摩尔比为1：4～10；将上述悬浮液离心、过滤、洗涤，于80℃干燥12小时，得到氟、氮共掺杂磷酸铋-氧化亚铜光催化材料。
步骤1中磷酸盐是磷酸钠、磷酸氢钠、磷酸二氢钠、磷酸钾、磷酸氢钾、磷酸二氢钾等可溶性磷酸盐的一种或多种组合。
本发明氟、氮共掺杂磷酸铋-氧化亚铜光催化材料的制备方法，特点是在较低温度下完成材料的合成，工艺过程简单，复合体系成分易于控制。
实施例1
步骤1：将4.85g五水硝酸铋溶解于24.25g质量浓度为65％的硝酸溶液，得到溶液A；将1.64g磷酸钠溶于8.2g水中，得到溶液B；将溶液A和溶液B混合均匀得到溶液C；将0.185g氟化铵加入溶液C，得到溶液D；将溶液D转移至水热反应釜，并置于微波反应器中利用微波加热至150℃微波水热处理1h，取出后自然冷却至室温，将得到的产物离心分离，去离子水洗涤3次，于80℃干燥12h，得到氟、氮共掺杂磷酸铋粉体；
步骤2：将3.04g步骤1得到的氟、氮共掺杂磷酸铋粉体分散于200ml浓度为0.01mol/L的二水氯化铜溶液，得到悬浮液E；将2g聚乙烯吡咯烷酮(分子量为10000)溶解于20ml浓度为1mol/L的氢氧化钠溶液，搅拌状态下逐滴加入溶液E，得到溶液F；将13.3ml浓度为0.6mol/L的L-抗坏血酸溶液逐滴加入溶液F，持续搅拌并陈化3h，得到悬浮液；将上述悬浮液离心、过滤、洗涤，于80℃干燥12小时，得到氟、氮共掺杂磷酸铋-氧化亚铜光催化材料。
对实施例1制备氟、氮共掺杂磷酸铋-氧化亚铜光催化材料进行光降解实验，选择甲基橙为目标污染物，将0.02g上述复合光催化材料加入100mL浓度为10mg/L的甲基橙溶液，经过100min可见光照射后(300W氙灯)，甲基橙降解效率大于90％。
实施例2
步骤1：将4.85g五水硝酸铋溶解于48.5g质量浓度为65％的硝酸溶液，得到溶液A；将1.64g磷酸钠溶于16.4g水中，得到溶液B；将溶液A和溶液B混合均匀得到溶液C；将0.375g氟化铵加入溶液C，得到溶液D；将溶液D转移至水热反应釜，并置于微波反应器中利用微波加热至250℃微波水热处理3h，取出后自然冷却至室温，将得到的产物离心分离，去离子水洗涤3次，于80℃干燥12h，得到氟、氮共掺杂磷酸铋粉体；
步骤2：将3.04g步骤1得到的氟、氮共掺杂磷酸铋粉体分散于100ml浓度为0.1mol/L的二水氯化铜溶液，得到悬浮液E；将20g聚乙烯吡咯烷酮(分子量为10000)溶解于100ml浓度为2mol/L的氢氧化钠溶液，搅拌状态下逐滴加入溶液E，得到溶液F；将83.3ml浓度为1.2mol/L的L-抗坏血酸溶液逐滴加入溶液F，持续搅拌并陈化3h，得到悬浮液；将上述悬浮液离心、过滤、洗涤，于80℃干燥12小时，得到氟、氮共掺杂磷酸铋-氧化亚铜光催化材料。
对实施例2制备氟、氮共掺杂磷酸铋-氧化亚铜光催化材料进行光降解实验，选择甲基橙为目标污染物，将0.02g上述复合光催化材料加入100mL浓度为10mg/L的甲基橙溶液，经过100min可见光照射后(300W氙灯)，甲基橙降解效率大于90％。
实施例3
步骤1：将4.85g五水硝酸铋溶解于38.8g质量浓度为65％的硝酸溶液，得到溶液A；将1.64g磷酸钠溶于12.3g水中，得到溶液B；将溶液A和溶液B混合均匀得到溶液C；将0.259g氟化铵加入溶液C，得到溶液D；将溶液D转移至水热反应釜，并置于微波反应器中利用微波加热至200℃微波水热处理2h，取出后自然冷却至室温，将得到的产物离心分离，去离子水洗涤3次，于80℃干燥12h，得到氟、氮共掺杂磷酸铋粉体；
步骤2：将3.04g步骤1得到的氟、氮共掺杂磷酸铋粉体分散于10ml浓度为0.05mol/L的二水氯化铜溶液，得到悬浮液E；将0.75g聚乙烯吡咯烷酮(分子量为10000)溶解于5ml浓度为1.5mol/L的氢氧化钠溶液，搅拌状态下逐滴加入溶液E，得到溶液F；将3ml浓度为1.0mol/L的L-抗坏血酸溶液逐滴加入溶液F，持续搅拌并陈化3h，得到悬浮液；将上述悬浮液离心、过滤、洗涤，于80℃干燥12小时，得到氟、氮共掺杂磷酸铋-氧化亚铜光催化材料。
对实施例3制备氟、氮共掺杂磷酸铋-氧化亚铜光催化材料进行光降解实验，选择甲基橙为目标污染物，将0.02g上述复合光催化材料加入100mL浓度为10mg/L的甲基橙溶液，经过100min可见光照射后(300W氙灯)，甲基橙降解效率大于90％。
实施例4
步骤1：将4.85g五水硝酸铋溶解于29.1g质量浓度为65％的硝酸溶液，得到溶液A；将1.64g磷酸钠溶于14.76g水中，得到溶液B；将溶液A和溶液B混合均匀得到溶液C；将0.296g氟化铵加入溶液C，得到溶液D；将溶液D转移至水热反应釜，并置于微波反应器中利用微波加热至1750℃微波水热处理2.5h，取出后自然冷却至室温，将得到的产物离心分离，去离子水洗涤3次，于80℃干燥12h，得到氟、氮共掺杂磷酸铋粉体；
步骤2：将3.04g步骤1得到的氟、氮共掺杂磷酸铋粉体分散于80ml浓度为0.1mol/L的二水氯化铜溶液，得到悬浮液E；将16g聚乙烯吡咯烷酮(分子量为10000)溶解于160ml浓度为1mol/L的氢氧化钠溶液，搅拌状态下逐滴加入溶液E，得到溶液F；将80ml浓度为0.8mol/L的L-抗坏血酸溶液逐滴加入溶液F，持续搅拌并陈化3h，得到悬浮液；将上述悬浮液离心、过滤、洗涤，于80℃干燥12小时，得到氟、氮共掺杂磷酸铋-氧化亚铜光催化材料。
对实施例4制备氟、氮共掺杂磷酸铋-氧化亚铜光催化材料进行光降解实验，选择甲基橙为目标污染物，将0.02g上述复合光催化材料加入100mL浓度为10mg/L的甲基橙溶液，经过100min可见光照射后(300W氙灯)，甲基橙降解效率大于90％。
实施例4中磷酸盐为磷酸钠，也可以为磷酸钠、磷酸氢钠、磷酸二氢钠、磷酸钾、磷酸氢钾、磷酸二氢钾等可溶性磷酸盐的一种或多种组合。
Claims (5)
1.氟、氮共掺杂磷酸铋-氧化亚铜光催化材料，其特征在于，由氟、氮共掺杂磷酸铋和氧化亚铜组成，其中氟、氮共掺杂磷酸铋和氧化亚铜的摩尔比为1：0.2～1；
氟、氮共掺杂磷酸铋中铋离子、氟离子和氮离子的摩尔比为1：0.5～1：0.5～1，其中氟离子和氮离子的摩尔比为1：1。
2.氟、氮共掺杂磷酸铋-氧化亚铜光催化材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1：将五水硝酸铋溶解于质量浓度为65％的硝酸溶液，得到溶液A；将磷酸盐溶于水，得到溶液B；将溶液A和溶液B混合均匀得到溶液C；将氟化铵加入溶液C，得到溶液D；将溶液D转移至水热反应釜，并置于微波反应器中利用微波加热至150～250℃微波水热处理1～3h，取出后自然冷却至室温，将得到的产物离心分离，去离子水洗涤3次，于80℃干燥12h，得到氟、氮共掺杂磷酸铋粉体；
步骤2：将步骤1得到的氟、氮共掺杂磷酸铋粉体分散于浓度为0.01～0.1mol/L的二水氯化铜溶液，得到悬浮液E；将聚乙烯吡咯烷酮溶解于浓度为1～2mol/L的氢氧化钠溶液，搅拌状态下逐滴加入溶液E，得到溶液F；将浓度为0.6～1.2mol/L的L-抗坏血酸溶液逐滴加入溶液F，持续搅拌并陈化3h，得到悬浮液；将上述悬浮液离心、过滤、洗涤，于80℃干燥12小时，得到氟、氮共掺杂磷酸铋-氧化亚铜光催化材料。
3.根据权利要求2所述的氟、氮共掺杂磷酸铋-氧化亚铜光催化材料的制备方法，其特征在于，步骤1中五水硝酸铋和硝酸的质量比为1：5～10；磷酸盐和水的质量比为1：5～10；溶液C中铋离子和磷酸根离子的摩尔比为1：1；铋离子和氟化铵的摩尔比为1：0.5～1。
4.根据权利要求2或3所述的氟、氮共掺杂磷酸铋-氧化亚铜光催化材料的制备方法，其特征在于，步骤1中磷酸盐是磷酸钠、磷酸氢钠、磷酸二氢钠、磷酸钾、磷酸氢钾或磷酸二氢钾的一种或多种组合。
5.根据权利要求2所述的氟、氮共掺杂磷酸铋-氧化亚铜光催化材料的制备方法，其特征在于，步骤2中铋离子和铜离子的摩尔比为1：0.2～1；铜离子、聚乙烯吡咯烷酮和氢氧化钠的摩尔比为1：0.1～0.2：10～20；铜离子和L-抗坏血酸的摩尔比为1：4～10。
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