[发明专利]一种Gd 掺杂BiVO4 光催化剂及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于功能材料领域，具体涉及一种Gd掺杂BiVO₄光催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，环境污染和能源危机给人类生存带来的挑战日益严重，光催化技术作为一种高级的氧化过程技术应运而生，并获得了显著的发展。利用半导体材料作为光催化剂催化降解有机污染物可将有机物完全矿化为H₂O和无机离子，降解速率快，不产生二次污染，有着传统的高温、常规污染处理方法不可比拟的优势。

BiVO₄材料因其特殊的晶体结构，而具有良好地光催化活性，声光转换等特性，可广泛应用于催化氧化，制氢制氧，有机污染物降解，能源存储与转化等领域，是一种应用前景广阔的新型功能材料。目前，制备BiVO₄的方法众多，如高温固相反应法，溶胶凝胶法，浸渍法，共沉淀法，水热法等，但它们在结构控制上仍存在一些不足，如反应温度高，设备复杂，周期长，制备的产物形貌单一等。

纯的单斜相BiVO₄的光催化效率较低，目前，已经有大量的研究证明，光催化剂的光催化性能与材料自身的晶体结构、比表面积、晶粒尺寸和颗粒形貌等有很大关系。掺杂可改善BiVO₄的光催化反应效率和选择性，目前对BiVO₄进行掺杂改性的方法多为浸渍法，即在传统的固相反应法、化学共沉淀法、溶胶-凝胶法及水热法等制备出纯相BiVO₄后，再选择适当的金属源采用浸渍的方法对其进行掺杂，该方法流程多，工艺复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Gd掺杂BiVO₄光催化剂及其制备方法和应用，该方法操作简单，反应时间短，反应条件温和，制得的Gd掺杂BiVO₄光催化剂具有良好的光催化活性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种Gd掺杂BiVO₄光催化剂，其主要成分为BiVO₄，为四方锆石相结构，且BiVO₄的晶格中含有Gd³⁺，其中Gd元素与Bi元素的摩尔比为(2.04～11.11):100。

其形貌为棒状和块状。

一种Gd掺杂BiVO₄光催化剂的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将Bi(NO₃)₃·5H₂O溶于水中，搅拌均匀，得到铋盐溶液；将NH₄VO₃溶于100℃的水中，加热搅拌均匀，得到钒盐溶液；

步骤2：按Bi与V的摩尔比为1:1将钒盐溶液滴加到铋盐溶液中，搅拌均匀，得到混合液;

步骤3：调节混合液的pH值为8，搅拌均匀；

步骤4：将Gd(NO₃)₃·6H₂O加入到调节了pH值后的混合液中，搅拌均匀，得前驱液，其中Gd与Bi的摩尔比为(2.04～11.11):100；

步骤5：将前驱液加入微波水热反应釜中，将微波水热反应釜密封后置于微波辅助水热合成仪中，设定压力为1.3MPa，在300W的微波功率下，从室温升温至100℃，在100℃保温8min；然后从100℃升温至150℃，在150℃保温8min；再从150℃升温至180℃，在180℃保温40min后结束反应；

步骤6：待反应结束后，冷却至室温，取出微波水热反应釜中的沉淀物，洗涤，干燥，得到Gd掺杂BiVO₄光催化剂。

所述的铋盐溶液中Bi(NO₃)₃·5H₂O的浓度为0.4mol/L；钒盐溶液中NH₄VO₃的浓度为0.4mol/L。

所述的步骤1中将Bi(NO₃)₃·5H₂O溶于水中搅拌均匀所需的时间为20min；将NH₄VO₃溶于100℃的水中在90-100℃下加热搅拌均匀所需的时间为20min；所述的步骤2中的搅拌均匀是在磁力搅拌器上搅拌15min。

所述的步骤3中用浓度为5mol/L的NaOH溶液调节混合液的pH值，NaOH溶液的滴加速度小于等于1mL/min。