[发明专利]β-氧化铋/镁铝金属氧化物光催化剂及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明属于可见光复合光催化剂及其制备和应用领域，特别涉及一种β-氧化铋/镁铝金属氧化物光催化剂及其制备和应用。

背景技术

环境问题是当今人类社会所面临的重大课题之一。光催化技术能有效的将太阳能转化为化学能，使污染物发生氧化-还原反应，生成二氧化碳、水及盐类等无害物质，为这一问题的解决提供了一条理想的途径。二氧化钛作为最常用的催化剂，具有无毒、催化活性高、化学稳定性好、价格低廉等优势。然而，由于二氧化钛本身带隙宽度的限制，使其只能吸收仅占太阳光小部分的紫外光，而对占太阳光大部分的可见光无响应。所以其后的二十年中，研究对象主要集中在对二氧化钛的改性方面，如过渡金属掺杂、非金属掺杂和金属非金属共掺杂等，以此来实现二氧化钛的可见光响应。通过对二氧化钛改性，尽管能提高其光谱响应范围，使其具有一定的可见光活性，但是量子效率较低，且改性本身存在诸多不足。因此，开发新型可见光催化剂成为近年来光催化研究的热点方向。

氧化铋作为一种重要的半导体材料，禁带宽度较窄，可吸收可见光，近年来对其光催化性能的研究不断深入。氧化铋通常以四种晶相存在：单斜相(α)，四方相(β)，面心立方相(γ)和体心立方相(δ)。带隙从四方相β-氧化铋的2.58eV到单斜相α-氧化铋的2.85eV不等。其中，四方相β-氧化铋具有较窄的带隙宽度，可以有效的吸收可见光。近年来的研究同样表明，四方相β-氧化铋具备较高的光催化活性，应用前景广阔。然而，纯的四方相β-氧化铋是一种亚稳相化合物，在室温下不能稳定存在。一般通过金属离子的参杂来稳定四方相氧化铋，如掺杂Ti、Mo、Ca、Sr、Ba、Eu和Sb等。但是，掺杂金属的四方相β-氧化铋的制备方法较为复杂，光催化剂的效率不高，从而在很大程度上限制了氧化铋在光催化领域的应用。

层状双氢氧化物，又称为阴离子粘土，是一种结构非常类似水镁石的层状双金属氢氧化物。基本结构式为：[M²⁺_1-xM³⁺_x(OH)₂]^x+A^m-_x/m·nH₂O，其中：M²⁺为Mg²⁺、Zn²⁺和Fe²⁺等二价金属阳离子；M³⁺为Al³⁺和Fe³⁺等三价金属阳离子；A^m-为CO₃^2-、Cl^-、NO₃^-和SO₄^2-等阴离子。层状双氢氧化物经焙烧后，结构羟基和层间阴离子逸出，从而转化为混合双金属氧化物。在存在一定湿度(或水)和阴离子的条件下，混合氧化物能恢复层状的结构，即“记忆”效应。层状双氢氧化物及其焙烧衍生物均具备较高的比表面积，常被用作催化剂载体。但迄今为止，关于将氧化铋与层状双氢氧化物或其焙烧衍生物复合处理的文献和专利尚未见报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种β-氧化铋/镁铝金属氧化物光催化剂及其制备和应用，该光催化剂具备了较高的可见光催化活性，在染料废水的净化处理领域具有良好的应用前景，该制备工艺和生产设备简单，对环境友好，易于工业化生产。

本发明的一种β-氧化铋/镁铝金属氧化物光催化剂，其组分包括：四方相β-氧化铋和镁铝混合金属氧化物，其中镁铝混合金属氧化物为还原的镁铝层状双氢氧化物经高温煅烧后衍生的化合物，四方相β-氧化铋和镁铝混合金属氧化物的质量比为1∶3～5∶1。

本发明的一种β-氧化铋/镁铝金属氧化物光催化剂的制备方法，包括：

(1)室温下，按摩尔比2∶1～4∶1将可溶性镁盐和可溶性铝盐溶于水中，得混合盐溶液；按摩尔为1∶1～1∶6将可溶性碳酸盐和可溶性无机碱溶于水中，得混合碱溶液；在70～100℃下，将所述混合盐溶液逐滴加入到所述混合碱溶液中，反应2～24h，经洗涤干燥得镁铝层状双氢氧化物；

(2)将上述镁铝层状双氢氧化物于400～600℃煅烧2～4h得到镁铝混合金属氧化物；在室温下，将所得的镁铝混合金属氧化物置于0.1～1mol/L可溶性碳酸盐溶液中，磁力搅拌12～48h，经洗涤干燥得到还原的镁铝层状双氢氧化物；