異質(zhì)結(jié)纖維光催化劑及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于包含金屬的催化劑制備領(lǐng)域，具體涉及一種Ta3N5/Bi2W06異質(zhì)結(jié)纖維光催化劑及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光催化技術(shù)在環(huán)境治理方面具有重要的應(yīng)用價值，該技術(shù)的關(guān)鍵是開發(fā)出合適的光催化劑。Ta3N5具有較寬的可見光吸收光譜，可以利用波長達(dá)600nm的太陽光，主要應(yīng)用于廢水處理、空氣凈化及光催化產(chǎn)氫等領(lǐng)域，引起了科學(xué)工作者的廣泛關(guān)注。但是Ta3N5面臨兩大問題，其一，是Ta3N5禁帶寬度為2.leV，屬于窄禁帶半導(dǎo)體材料，光生電子和空穴復(fù)合幾率較高，嚴(yán)重制約了其光催化活性。其二，納米尺寸的Ta3N5雖然具有較大比表面積，但是不易回收。而固定膜型Ta3N5易回收但其有效比表面積相對變小。
[0003]電紡Ta3N5纖維由納米粒子組成，其纖維多孔，比表面積大，易回收，但是這種原始Ta3N5纖維光生載流子分離效率低，量子產(chǎn)率低。而通過構(gòu)筑異質(zhì)結(jié)可以有效提高光生載流子的分咼和利用。
[0004]中國專利申請“一種靜電紡絲制備BiTa04納米纖維光催化劑的方法”(申請?zhí)?201410229902.2，公布號:CN 104028261 A)，公開了的制備方法中，先分別以簡單的Ta205和和Bi (N03) 3作為坦源和鉍源，然后以檸檬酸、乙二醇和PVP作為絡(luò)合劑得到紡絲液，最后進(jìn)行高壓靜電紡絲得到初始PVP-BiTa04纖維，再在900攝氏度的馬弗爐中煅燒得到最終的BiTa04納米纖維。該方法還存在以下缺陷:首先，BiTa04也是一種單一組分的可見光光催化劑，可以利用波長最大為420nm的可見光，由于其帶隙窄，光生電子和空穴復(fù)合嚴(yán)重，導(dǎo)致光催化活性不理想。為了充分利用太陽能，開發(fā)可以利用長波長可見光催化劑成為研宄熱點(diǎn)。Ta3N5可以吸收利用波長長達(dá)600nm的可見光，能夠更大限度的利用太陽光，但是其單純Ta3N5纖維面臨光生電子和空穴復(fù)合嚴(yán)重問題，因此，構(gòu)筑Ta3N5異質(zhì)結(jié)纖維來促進(jìn)其光生電子和空穴的分離，實現(xiàn)其催化活性的提高，成為了必然趨勢。
[0005]Bi2WC^t為一種優(yōu)良的可見光催化劑，得到了廣泛關(guān)注。根據(jù)固體能帶理論，Bi2WO6帶隙為2.75eV，易被可見光激發(fā)，同時與Ta 3N5的能級可以很好的匹配。Ta 3N5價帶電勢低于Bi2WO6的價帶電勢，同時，Ta 3N5導(dǎo)帶的電勢要比Bi 2W06的高，因此，在可見光(λ MOOnm)的照射下，Ta3N5和Bi 2W06被激發(fā)，形成光生電子(e _)和空穴(h+)，其中，Ta3N5導(dǎo)帶中的光生電子(e_)流入Bi2WOf^帶中，Bi 2W06價帶中的光生空穴(h+)躍迀到Ta3N5價帶中，直到兩者的費(fèi)米能級接近為止。該載流子的流動過程提高光生電子和空穴的壽命，從而提尚體系的光催化活性。
[0006]近期，Li等采用靜電紡絲法制備出Ta3N5納米纖維光催化劑(S.J.Li, et.al, Scientific report 2014, 4，3978)，在提高催化劑的光催化活性和回收方面取得了一定的效果，但是，其異質(zhì)結(jié)材料用的是成本較高的氯金酸。為了開發(fā)低成本、催化活性高、易回收的可見光光催化劑，本發(fā)明采用靜電紡絲法結(jié)合溶劑熱法制備了 Ta3N5/Bi2W06異質(zhì)結(jié)纖維光催化劑。該Ta3N5/Bi2W06異質(zhì)結(jié)纖維光催化劑展現(xiàn)出高效、穩(wěn)定的可見光光催化性會K。
[0007]基于以上考慮，光催化領(lǐng)域的科研實踐中，亟需一種采用靜電紡絲法結(jié)合溶劑熱反應(yīng)的制備方法，制備出開發(fā)低成本、催化活性高、性質(zhì)穩(wěn)定、易回收的可見光光催化劑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提供一種Ta3N5/Bi2W06異質(zhì)結(jié)纖維光催化劑及其制備方法；該方法采用靜電紡絲法結(jié)合溶劑熱反應(yīng)制備得到1&#5/812106異質(zhì)結(jié)纖維光催化劑。
[0009]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0010]一種Ta3N5/Bi2W06異質(zhì)結(jié)纖維光催化劑制備方法，包括下述步驟:
[0011]Ta3N5紡絲液制備步驟:將可溶性鉭鹽加入高分子溶液中，進(jìn)行攪拌處理2?12h，得到所述Ta3N5紡絲液；所述Ta3N5紡絲液中，所述可溶性鉭鹽的質(zhì)量百分比濃度為5?15wt % ο
[0012]Ta205纖維制備步驟:將所述Ta3N5紡絲液進(jìn)行靜電紡絲處理，得到復(fù)合纖維；再將所述復(fù)合纖維進(jìn)行煅燒處理，得到所述Ta205纖維；
[0013]Ta3N5納米纖維制備步驟:將所述Ta205纖維進(jìn)行氮化處理，得到Ta 3N5納米纖維；
[0014]鎢酸鹽溶液制備步驟:將可溶性鎢酸鹽加入有機(jī)溶劑中，攪拌混合，得鎢酸鹽溶液；
[0015]鉍鹽溶液制備步驟:將鉍鹽加入有機(jī)溶劑中，攪拌混合，得到鉍鹽溶液；
[0016]溶劑熱反應(yīng)體系制備步驟:將所述鎢酸鹽溶液和鉍鹽溶液混合，然后加入所述Ta3N5納米纖維，攪拌混合，得到溶劑熱反應(yīng)體系。
[0017]溶劑熱反應(yīng)和后續(xù)處理步驟:將所述溶劑熱反應(yīng)體系進(jìn)行溶劑熱反應(yīng)處理，得到溶劑熱反應(yīng)產(chǎn)物；將所述溶劑熱反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行水/無水乙醇洗處理、離心處理、烘干處理，得到所述1&#5作12106異質(zhì)結(jié)纖維光催化劑。
[0018]上述制備方法的優(yōu)選的實施方式中，所述Ta3N5紡絲液制備步驟中，所述高分子溶液由聚乙烯吡咯烷酮、無水乙醇、N，N-二甲基甲酰胺和乙酸混合制成，所述聚乙烯吡咯烷酮、無水乙醇、N, N-二甲基甲酰胺和乙酸的體積比為(3?4):1:1 ;所述Ta3N5紡絲液中，所述聚乙烯吡咯烷酮的質(zhì)量百分比濃度為5?10wt% ;優(yōu)選地，所述可溶性鉭鹽為丁醇鉭、乙醇鉭、五氯化鉭、異丙醇鉭、硫酸鉭中的一種或幾種。
[0019]上述制備方法的優(yōu)選的實施方式中，所述Ta205纖維制備步驟中，所述靜電紡絲處理的紡絲條件為:工作電壓:8?25kV，工作距離:10?25cm ;紡絲溶液的推進(jìn)速度分別為:0.1?lmL/h ;優(yōu)選地，所述Ta205纖維制備步驟中，所述煅燒處理中，溫度為500?800°C，時間為2?15ho
[0020]上述制備方法的優(yōu)選的實施方式中，所述Ta3N5納米纖維制備步驟中，所述氮化處理的溫度為750?900°C，時間為4?15h ;所述氮化處理在氨氣氛圍中進(jìn)行。
[0021]上述制備方法的優(yōu)選的實施方式中，所述鎢酸鹽溶液制備步驟中，所述鎢酸鹽為鎢酸鈉；優(yōu)選地，所述鎢酸鹽溶液的濃度為5?15mmol/L。
[0022]上述制備方法的優(yōu)選的實施方式中，所述鉍鹽溶液制備步驟中，所述鉍鹽為硝酸鉍；優(yōu)選地，所述鉍鹽溶液的濃度為10?30mmol/L。
[0023]上述制備方法的優(yōu)選的實施方式中，所述鎢酸鹽溶液制備步驟和鉍鹽溶液制備步驟中，所述有機(jī)溶劑為乙二醇，或乙醇和乙二醇的混合液，其中乙醇和乙二醇體積比為1:(1-5)，或甲醇和乙二醇混合液，其中甲醇和乙二醇的體積比為1: (1-5)。
[0024]上述制備方法的優(yōu)選的實施方式中，所述溶劑熱反應(yīng)體系制備步驟中，所述溶劑熱反應(yīng)體系中，秘鹽、鶴酸鹽和Ta3N5納米纖維的摩爾比為2:1: (0.2?5);優(yōu)選地，所述溶劑熱反應(yīng)體系制備步驟中，所述攪拌時間為3?12h。
[0025]上述制備方法的優(yōu)選的實施方式中，所述溶劑熱反應(yīng)和后續(xù)處理步驟中，所述溶劑熱反應(yīng)體系在反應(yīng)釜的填充度為60?90% ;優(yōu)選地，所述溶劑熱反應(yīng)和后續(xù)處理步驟中，所述溶劑熱反應(yīng)中，升溫速率為0.5?3°C /min，溫度為110?160°C，時間為5?24h ;
[0026]上述制備方法的優(yōu)選的實施方式中，所述溶劑熱反應(yīng)和后續(xù)處理步驟中，所述后續(xù)處理中，所述烘干處理的溫度為40?80°C。
[0027]相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0028]1、本發(fā)明的制備方法中，先采用靜電紡絲法得到Ta3N5納米纖維，然后通過溶劑熱反應(yīng)制備得到Ta3N5/Bi2W06異質(zhì)結(jié)纖維光催化劑；該制備方法使Bi 2胃06與Ta3N5納米纖維接觸充分、復(fù)合均勻、形成良好的異質(zhì)結(jié)，促進(jìn)了光生電子和空穴的有效分離，提高其可見光光催化活性，同時因其一維殼核纖維相互交織形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，賦予其易回收的特性；該Ta3N5/Bi2W06異質(zhì)結(jié)纖維光催化劑在環(huán)境和能源等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。
[0029]2、本發(fā)明的制備方法簡單、綠色環(huán)保、易規(guī)?；a(chǎn)、為解決Ta3N5光催化劑在光催化降解環(huán)境有毒有機(jī)物，和光催化產(chǎn)氫產(chǎn)業(yè)中的大規(guī)模應(yīng)用提供有效途徑。
[0030]3、本發(fā)明制備的了&3乂/^12106異質(zhì)結(jié)纖維光催化劑中，一維的殼核纖維相互交織形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有較高的光催化活性，性質(zhì)穩(wěn)定，容易回收。
【附圖說明】
[0031]圖1是本發(fā)明中制備的Ta3N5/Bi2W06異質(zhì)結(jié)纖維光催化劑的掃描電鏡(SEM)圖片。
[0032]圖2是實施例2制備的Ta3N5、Bi2WO6^P Ta #5作12106異質(zhì)結(jié)纖維光催化劑的X射線衍射(XRD)圖譜。
[0033]圖3是實施例2制備的1&3乂作12106異質(zhì)結(jié)纖維光催化劑在可見光照射下光催化降解羅丹明(Rh.B)的曲線圖。
[0034]圖4是實施例2制備的Ta3N5/Bi2W06異質(zhì)結(jié)纖維光催化劑在可見光照射下對羅丹明(Rh.B)的4次循環(huán)光催化降解曲線圖。
【具體實施方式】
[0035]一種Ta3N5/Bi2W06異質(zhì)結(jié)纖維光催化劑的制備方法，包括下述步驟:
[0036]步驟一、制備Ta3