[发明专利]一种用于光催化领域的铁酸铋-石墨烯复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于光催化领域的铁酸铋-石墨烯复合材料及其制备方法。

背景技术

新世纪以来，全球性的环境污染问题日益加重，特别是经济高速发展的我国，空气污染与室内环境污染不断加剧，危害健康的案件比比皆是。对环境污染物进行降解已经成为一项越来越紧迫的任务。在诸多污染物控制手段中，光催化具有独特的优势。光催化使诸多情况下很难实现的反应在较温和的条件下能顺利进行，虽然光催化复杂的反应机理还没被彻底认识清楚，但是应用研究成绩斐然。以TiO₂为代表的环境光催化技术在应用研究领域的多项应用：空气净化，污水处理，自清洁技术，杀菌消毒等，显示出广泛的研究前景。

1972年发现了TiO₂电极上水的光解现象，拉开了研究光催化现象和光催化材料的序幕。目前半导体光催化材料(如TiO₂)还存在以下主要问题：一是金红石结构的TiO₂禁带宽度为3.0eV，其吸收边为415nm，属于紫外及近紫外光区域，但是紫外波段能量在太阳光中所占比重较低，且光催化效率低于1％；二是光生电子与空穴的复合率非常高，以致量子效率低。近十年来，一些研究者致力于往TiO₂掺杂N、P、S等元素，离子掺杂可以在半导体表面引入缺陷位置或改变结晶状况，捕获电子或者空穴，延长载流子寿命。另一方面，掺杂会改变半导体的禁带Eg，使催化剂的光谱响应向可见光移动，提高太阳光利用率。离子掺杂主要包括过渡金属离子掺杂与非金属离子掺杂；另一些研究者致力于开发新型并且效率更高的光催化材料，主要是将氧化物催化剂(如TiO₂)与石墨烯、碳纳米管等进行复合，利用碳材料超高的电荷迁移率降低催化剂表面光生电子/空穴对的复合几率，从而提高催化剂效率。近两年伴随多铁性材料的研究热浪，研究者发现BiFeO₃纳米材料以其比较窄的禁带宽度(～2.2eV)，良好的可见光催化活性及稳定的晶体结构等优异性显示出良好的光催化发展前景。这些研究对于发展光、电、磁一体化BiFeO₃的材料具有重要的科学意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种铁酸铋-石墨烯纳米复合材料及其制备方法。

本发明所提供的铁酸铋-石墨烯纳米复合材料，由石墨烯和包覆于所述石墨烯表面的BiFeO₃纳米颗粒组成，所述BiFeO₃纳米颗粒的直径为100～500nm，所述BiFeO₃纳米颗粒与石墨烯质量比为10∶1～50∶1。

所述BiFeO₃纳米颗粒的直径优选为100～300nm，所述石墨烯的直径可为5μm～10μm，厚度可为2nm～15nm。

制备上述铁酸铋-石墨烯纳米复合材料的方法，包括下述步骤：

1)采用共沉淀法制备BiFeO₃前驱体沉淀；

2)将所述BiFeO₃前驱体沉淀与石墨烯混合均匀后，进行水热反应，得到所述铁酸铋-石墨烯纳米复合材料。

其中，步骤1)中制备BiFeO₃前驱体沉淀的具体方法如下：将硝酸铋和硝酸铁按照摩尔比1.0～1.2的比例溶于溶剂中，得到混合溶液；再向所述混合溶液中加入碱性沉淀剂，得到砖红色沉淀即为BiFeO₃前驱体沉淀。

所述溶剂选自下述至少一种：硝酸溶液、硫酸溶液、N，N-二甲基甲酰胺和二甲基乙酰胺。所述沉淀剂选自氢氧化钾或氨水。其溶液的浓度可为8-12mol/L。

步骤2)中所述BiFeO₃前驱体沉淀与石墨烯的质量比为10∶1～50∶1。

步骤2)中所述水热反应的反应温度为150℃-220℃，具体可为200℃，反应时间为12-24小时。

为了促进BiFeO₃前驱体在石墨烯表面的结晶，所述水热反应的反应体系中还加入辅助矿化剂，其选自硝酸钾、氯化钾、硫酸钾中的一种或多种组合。

所述辅助矿化剂的加入量为铁酸铋-石墨烯纳米复合材料中BiFeO₃含量的5％。

步骤2)中所述BiFeO₃前驱体沉淀与石墨烯采用超声分散的方法混合均匀。

上述方法还包括下述步骤：将步骤2)得到的铁酸铋-石墨烯纳米复合材料用去离子水、酒精进行清洗、真空烘干及研磨的步骤。

本发明的再一个目的是提供上述铁酸铋-石墨烯纳米复合材料的应用。