[发明专利]纳米钽酸铋光催化剂的制备方法及其光催化降解有机污染物的应用

说明书

技术领域

本发明涉及纳米钽酸铋的制备方法及其光催化有机污染物的应用。纳米钽酸铋属于一种光催化剂。

背景技术

印染废水具有难降解的有机染物含量高、色度深、毒性大,化学需氧量大,难生物降解的有机物成分高,水质变化大的特点，传统的处理方法有:吸附法,膜分离技术,超声波气振技术,生物氧化技术,高能物理法等，效果并不是很理想。

近几年出现了一种新兴的污水处理技术光催化氧化法，是用光催化剂处理污水，具有以下优点:催化反应在常温常压下就可以进行,能耗比较低；降解速度比较快,操作简便；废水中几乎所有有机物能够被矿化或降解为CO₂和H₂O，没有二次污染，但存在着催化剂回水困难、太阳能利用率低等缺点。国内外针对二氧化钛的光催化性能进行了广泛的研究，也取得了突破性进展，但是还存在诸如制备条件苛刻、制备成本高、不易回收以及可见光利用率低等缺点，不利于大规模的应用。其中，TiO₂单晶电极在光照条件下可分解水，持续地发生水的氧化还原反应，并产生氢气。

许多钽酸铋材料具有独特的结构及物理化学特性，在用作铁电、压电、发光材料等方面有着广泛的用途吸引了研究者的目光。其中纳米钽酸铋化合物在用作多种反应的非均相催化剂方面，展现出其独特和优越的性能，适用于环境污染的治理。纳米钽酸铋含钽化合物在酸性条件表现出很好的催化活性，能选择性地、稳定地合成有机物，可有效地去除工业废气中和汽车尾气中的氮氧化物以及降解有机印染废水；而在紫外光或可见光的照射下，一些钽酸盐可完全分解水放出氢气和氧气，从而给人们研制开发绿色能源技术开辟了一条新的途径。但是，目前钽酸铋光催化剂还存在着生产成本高、光催化性能不稳定、光催化应用范围窄等诸多缺点和问题，严重制约钽酸铋光催化剂的发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可见光响应纳米钽酸铋光催化剂的制备方法，工艺简单，反应温度低，对设备的要求低；获得的钽酸铋光具有较高的催化活性。

本发明的另一个目的在于提供一种可见光响应纳米钽酸铋光催化剂光催化降解有机污染物的应用。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

可见光响应纳米钽酸铋光催化剂的制备方法，步骤如下:

(1)钽酸沉淀物的制备：将Ta₂O₅加入到浓度为2-4mol/L的KOH溶液中，混合均匀后，加入反应釜中加热至160-200℃，密封反应至形成无色透明的溶液；调节pH至4-6，使溶液中的钽完全以钽酸(Ta₂O₅·nH₂O)的形式沉淀出来，用去离子水冲洗去除沉淀物上吸附的残余的钾离子，得到钽酸沉淀物；

Ta₂O₅与KOH溶液的比例为1-3g:60-80mL；

(2)水溶性草酸钽的制备：在钽酸沉淀物中加入草酸，加热至60-80℃，并不断搅拌，得到草酸钽水溶液；其中钽酸沉淀物与草酸的质量比为1：10-25；

(3)胶体聚合物的制备：将五水硝酸铋加入到0.4-0.6mol/L的柠檬酸溶液中,在60-80℃下搅拌，加入螯合剂乙二胺四乙酸的氨水溶液，直至五水硝酸铋完全溶解形成无色透明的硝酸铋溶液；

(4)将草酸钽水溶液加入到硝酸铋溶液中，在60-80℃加热搅拌2-4小时，得到粘性的、多泡的黑色树脂；然后加热至100-200℃胶化2-4小时，得到胶体聚合物；

草酸钽的钽与五水硝酸铋的摩尔比为1：3；

五水硝酸铋中的Bi与柠檬酸的摩尔比为1：4-6；

五水硝酸铋中的Bi与螯合剂乙二胺四乙酸的摩尔比为1：2-5；

螯合剂乙二胺四乙酸与氨水的配比为23-27g：100mL；

(5)钽酸铋光催化剂前驱体的制备：将胶体聚合物于300-450℃灼烧2-4h，得到钽酸铋光催化剂前驱体；

(6)钽酸铋光催化剂的制备：将钽酸铋光催化剂的前驱体研磨，在450-750℃灼烧4-6h，得可见光响应钽酸铋光催化剂Bi₃TaO₇，为立方结构，其晶粒尺寸5-80纳米。

(7)所得纳米钽酸铋光催化剂在降解酸性红G的实验中，在可见光(λ≥420nm)下,2小时的平均降解率约78％，具有良好的光催化活性。