[发明专利]一种BiVO4纳米片复合型光催化剂及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于催化剂制备以及环境可持续发展领域，具体涉及一种BiVO₄纳米片复合型光催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

日益严峻的环境问题和能源的匮乏使得人们不断地致力于光催化污染物的降解以及光解水的研究中。由于太阳光中大部分是可见光，从充分利用太阳能的角度出发，开发可见光驱使的光催化剂是非常有必要的。

近些年来，单斜相的钒酸铋作为一种可见光催化剂已经被许多化学工作者广泛而深入的研究。BiVO₄的禁带宽度为2.4~2.5 eV，它能够很好的利用可见光产生电子与空穴，进而参与光催化反应。光激发BiVO₄产生的空穴具有很强的氧化能力，并且由于空穴的有效质量比较低，这使其可以迅速的从固体内部扩散至表面。目前，BiVO₄作为可见光催化剂被应用于污水净化和光解水产氧。BiVO₄作为光催化剂具有三大优点，即，无毒、廉价、稳定，然而它也有自身的局限性。首先BiVO₄对有机物的吸附能力比较差，这与BiVO₄等电点较低有关；其次是BiVO₄中光激发电子空穴对容易复合，使载流子的分离效率低，这使得BiVO₄在光催化领域的应用受到很大的限制。因此，要提高BiVO₄的光催化活性，我们就必须从提高其载流子分离效率入手。其中一种可以有效抑制光生载流子复合的方法是利用助催化剂去转移BiVO₄ 中光激发产生的电子。

自石墨烯被发现就受到广大科研工作者的青睐，因为石墨烯自身所具备的π共轭结构中有大量的离域态电子，这赋予石墨烯良好的导电性能。此外，二维片状结构的石墨烯具备大的比表面积、良好的透明度以及高的化学稳定性，所以石墨烯常被用作助催化剂。目前，一些BiVO₄–GR复合物已经制备出来。这些BiVO₄–GR复合物比相应的空白BiVO₄表现出了更好的光催化活性，主要有原因归结于BiVO₄–GR复合物中石墨烯的引入使BiVO₄中光激发产生的电子可以通过石墨烯进行有效的转移，提高了载流子的分离效率，进而使催化剂活性提高。然而，关于二维BiVO₄纳米片–二维石墨烯复合物的制备及其性能的研究，目前还没有报导。此外，在目前所合成的所有的BiVO₄–GR复合物中，其界面电子转移路径的优化却被大家忽略，这使BiVO₄–GR复合物中光生载流子的分离效率不能最大限度的提高，进而限制了BiVO₄–GR复合物活性的进一步提高。因此，通过水热处理Pd修饰的氧化石墨烯（GO）和BiVO₄纳米片，我们制备了三元BiVO₄纳米片–GR–Pd复合物。与二元的BiVO₄纳米片–GR复合相比，三元BiVO₄纳米片–GR–Pd复合物在降解工业染料废水中的罗丹明B和甲基橙的过程中表现出了显著提高的光催化活性；而三元复合物活性显著提高的原因归结于Pd在BiVO₄纳米片与石墨烯界面间的引入优化了载流子的界面转移路径，这使得载流子的寿命延长，进而提高了BiVO₄–GR–Pd三元复合物的活性。这也进一步证实了界面组分的优化有利于光激发载流子在界面处的转移和分离，进而提高催化剂的活性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种BiVO₄纳米片复合型光催化剂及其制备方法和应用，具有光催化活性高、制作成本低、生产工艺简单、可宏观制备等特点，所制备的BiVO₄纳米片复合型光催化剂在可见光下降解染料废水中的罗丹明B和甲基橙时表现出了明显提高的光催化活性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种BiVO₄纳米片复合型光催化剂，所述的BiVO₄纳米片具有二维片状结构，所述的BiVO₄纳米片复合型光催化剂分为两类：一类为二元BiVO₄纳米片–石墨烯复合光催化剂，另一类为三元BiVO₄纳米片–石墨烯–钯复合光催化剂。

二元BiVO₄纳米片–石墨烯复合光催化剂的制备方法包括以下步骤：