[发明专利]一种磷酸铋纳米晶簇及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于材料科学领域，具体涉及一种磷酸铋纳米晶簇及其制备方法和应用。

背景技术

半导体光催化因其在环境治理和新能源开发方面的优势，近年来成为被广泛关注的前沿课题之一。目前研究最广泛的光催化材料是TiO₂。但是以TiO₂为基础的光催化剂存在着光生电子-空穴复合率高、吸收光谱窄等制约因素，对其改性处理并没有取得突破性的进展。目前，寻求新型、高效的复合氧化物光催化剂引起了一定的关注。其中非金属含氧酸盐作为新型光催化剂具有结构稳定、结晶性好、电子-空穴复合率低、光腐蚀性小、诱导效应大等优点，是比较具有潜力的一类光催化剂。BiPO₄是一种非常广泛的功能性材料，被广泛应用于分离鎇、钚、镎、铀等放射性元素、烷烃的选择性催化氧化、玻璃的改性处理。BiPO₄存在三种晶相结构：六方相、单斜相独居石和单斜相，结构较稳定和光催化活性最好的是单斜相独居石结构。BiPO₄制备方法主要有四类：(一)是固相制备、高温熔盐法或熔盐提拉法；(二)是气相沉淀法；(三)是超声辐照法。其中方法(一)制备的是块状具有激光和非线性光学特性的BiPO₄晶体，不适合做光催化剂材料使用；方法(二)的反应前驱体为Bi[Se₂P(OiPr)₂]₃，不是常用化学试剂，且反应在真空炉中需要减压高温环境；方法(三)虽具备反应温度低、反应时间短的优点，但只能制备出具有六方相结构的BiPO₄。

迄今为止，尚无文献和专利报道过采用微波水热法制备单斜相独居石与六方相混晶结构的磷酸铋纳米晶簇的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磷酸铋纳米晶簇及其制备方法和应用，该方法反应时间短，工艺简单易控，节省能源，制得的磷酸铋纳米晶簇在紫外光照射下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包括以下步骤：

一种磷酸铋纳米晶簇的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：按摩尔比为1:1将Bi(NO₃)₃·5H₂O和Na₃PO₄·12H₂O溶于水中，混合均匀，得前驱液；

步骤2：将前驱液放入微波水热反应釜中，密封微波水热反应釜后将其放入微波水热反应仪中，采用微波水热法进行反应，直至反应完全；

步骤3：反应完成后自然冷却至室温，然后将反应生成的沉淀取出，洗涤、干燥，得到磷酸铋纳米晶簇。

所述前驱液中Bi(NO₃)₃·5H₂O和Na₃PO₄·12H₂O的浓度为0.04～0.08mol/L。

所述微波水热法的具体操作为：选择微波控温模式，微波功率为300W，从室温升温至90～110℃，保温8～10min；继续升温至140～150℃，保温8～10min；再继续升温至反应温度，保温50～70min后停止反应，其中反应温度为160～220℃。

所述反应温度为160℃、180℃、200℃、220℃。

微波水热反应釜的填充比为40％～60％，微波水热反应釜的内衬为聚四氟乙烯材质。

所述干燥为在75～85℃下干燥10～12h。

磷酸铋纳米晶簇，为单斜相独居石与六方相混晶结构，单斜相独居石的空间群为P21/n，六方相的空间群为P3₁2₁；其形貌为纳米棒状晶簇。

当反应温度160℃时，为57.8％体积分数的单斜相独居石与42.2％体积分数的六方相的混晶结构；

当反应温度180℃时，为84.9％体积分数的单斜相独居石与15.1％体积分数的六方相的混晶结构；

当反应温度200℃时，为95.9％体积分数的单斜相独居石与4.1％体积分数的六方相的混晶结构；

当反应温度220℃时，为94.6％体积分数的单斜相独居石与5.4％体积分数的六方相的混晶结构。

磷酸铋纳米晶簇在降解环境污染物和有机物方面的应用。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：