[发明专利]一种单相钛酸铋纳米材料的制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料及环境科学与工程领域，具体涉及一种在太阳光下具有光催化降解有机污染物活性的单相钛酸铋纳米材料的制备方法和应用。

背景技术

21世纪能源及环境领域的重要目标之一就是通过利用可再生能源和新型环境友好型功能材料来治理或修复生态环境，并在最大限度上提高新型环境友好型功能材料的使用效率。半导体光催化技术无疑将在此领域中发挥出重要作用，目前，半导体光催化技术已在环境保护、光降解制氢以及光催化灭菌等领域显示出广阔的应用前景，其中TiO₂作为一种较成熟的半导体光催化剂在能源开发和环境治理方面的应用已经引起科学工作者的广泛兴趣，然而其较低的光催化活性以及低的太阳光利用率(小于5％)限制了这种材料的应用范围。因此寻找到在太阳光下具有高的光催化活性的新型功能材料成为众多科学工作者的梦想。

近年来，新型钛酸铋材料以其优异的物理性能及化学活性引起了材料学家和物理学家的广泛关注。钛酸铋材料属于一个复杂的体系，这个体系中包括Bi₂Ti₂O₇，Bi₂Ti₄O₁₁，Bi₄Ti₃O₁₂，Bi₁₂TiO₂₀和Bi₂₀TiO₃₂等不同的相态，它们在铁电材料、介电材料、压电材料、传感器、电容器、光折射材料以及光催化材料等方面有着广泛的应用。这些不同相态钛酸铋的生成取决于合成过程中原料的配比以及不同的反应条件，因此在传统合成方法中很难制备出单一晶相的钛酸铋材料。

Bi₂₀TiO₃₂是具有光催化活性的钛酸铋系列材料的一种，它能够满足在太阳光下仍具有高的光催化性能这一要求，并且该材料本身无毒无害，符合新型环境友好型光催化材料的要求。但是在一般条件下，Bi₂₀TiO₃₂处于一种亚稳态，它只在钛铋混合氧化物向Bi₂Ti₂O₇晶型转化的过程中出现，通过查阅Bi₂O₃-TiO₂系统的相图可知，在通常情况下Bi₂₀TiO₃₂处于亚稳态，它在温度低于400℃的条件下是不能形成的。目前已报道的合成出了含Bi₂₀TiO₃₂光催化材料的文献主要有：YunHou et al.Bi₂₀TiO₃₂ nanocones prepared from Bi-Ti-O mixture by metalorganicdecomposition method.Journal of Crystal Growth，2002，240：489-494，该文中用金属有机化学法合成出含有Bi₂₀TiO₃₂晶相的钛铋混合氧化物；许效红等.钛酸铋系化合物的光催化性能研究.化学学报，2005，63(1)：5-10，该文比较了不同晶型结构的钛酸铋的降解能力；WenFeng Yao et al.Photocatalytic property ofZn-modified bismuth titanate.Journal of Molecular Catalysis A：Chemical，2003，198：343-348，该文中描述类似组成为Bi₂₀TiO₃₂的钛酸铋材料表现出了较高的光催化活性，但并未对其进行深入研究；中国专利CN101574653“一种具有可见光响应的钛酸铋光催化材料及其制备方法”公开了一种高温淬火法制备纯相钛酸铋Bi₂₀TiO₃₂材料的方法。通过上述现有技术的介绍我们发现现有合成的钛酸铋光催化剂主要为非纯相，且现有方法中的合成温度较高，由于Bi₂₀TiO₃₂合成条件苛刻及其亚稳定性，目前除了高温淬火法以外，还没有其他在温和条件下合成出具有较高太阳光催化活性的单相Bi₂₀TiO₃₂纳米光催化材料的报道。

发明内容