[发明专利]一种钒酸铋及其制备方法与应用

说明书

技术领域：

本发明属于光催化材料的制备技术领域，尤其是涉及一种由多孔纳米粒子构筑、呈网状结构的钒酸铋及其制备方法与应用。

背景技术：

自1972年Fujishima和Honda发现TiO₂单晶电极在光的作用下不仅可以分解H₂O还可以分解其它物质以来，人们对半导体多相光催化反应方面的研究不断深入，光催化反应在环境治理和能源开发方面得到了普遍关注。半导体光催化材料表现出的强氧化性、污染物矿化安全、可直接利用太阳光等优点，使半导体光催化剂成为目前国内外光催化材料研究开发的热点。

钒酸铋（BiVO₄）是一种性能优越的窄带隙半导体，具有一定的耐酸碱性和化学稳定性。钒酸铋是多晶形化合物，主要有三种晶体结构：单斜相、立方相和四方相。在一定条件下，三种结构彼此之间可以相互转化，且这三种晶体结构的光催化活性也不同。其中单斜相钒酸铋，禁带宽度为2.4 eV，在可见光作用下，能分解水和有机污染物，同时还是良铁电性和离子导电性，因而单斜钒酸铋可作为可见光光催化剂，目前其合成和性能研究已得到人们广泛关注。迄今为止，钒酸铋的制备方法主要有固相反应、超声化学法、溶剂热、共沉淀法等。如Iwase等利用Bi₂O₃与V₂O₅在乙酸水溶液中反应，再结合退火处理，得到单斜白钨矿钒酸铋粒子，作为可见光光催化剂，降解甲基蓝以及在光电池中均表现出良好的催化活性（A. Iwase, et al., J. Mater. Chem., 2010, 20 (35), 7536-7542.）。如Chen等以赖氨酸作为表面活性剂，通过退火处理，首次合成了具有空心花生状结构的单斜钒酸铋，作为可见光光催化剂，降解结晶紫和甲基蓝表现出良好的光催化活性和循环稳定性（L. Chen, et al., CrystEngComm, 2012, 14 (12), 4217-4222.）。如Cheng等通过静电纺丝技术，再结合退火处理，得到多孔单斜白钨矿结构的钒酸铋，以可见光催化降解罗丹明B作为模型反应，表现出优越的可见光光催化活性（Y. Cheng, et al., RSC Adv., 2013, 3 (43), 20606-20612.）。

在发明人于2014年提出的ZL201410014113.7的中国专利申请中，合成了一种单斜白钨矿结构的钒酸铋晶体，上述合成的单斜白钨矿结构的钒酸铋晶体是由直径100-500nm的一维纳米棒或纳米线组装的钒酸铋枝晶。众所周知，催化剂的粒子尺寸是影响光催化活性的主要因素之一，一般认为粒子尺寸越小，比表面积越大，与污染物接触的机会越多，催化活性越高。钒酸铋枝晶虽然是由纳米棒或纳米线构筑而成，但是纳米微粒的尺寸仍然较大，不利于催化活性的显著提高。此外，钒酸铋枝晶存在的最大缺陷是其实心结构，实心的内部结构导致枝晶内部的钒酸铋无法与污染物接触，与空心结构相比，比表面积小，也不利于催化活性的进一步提高。

发明内容：

本发明的第一方面目的在于提供一种具有优异的可见光催化性能的钒酸铋。

本发明采取的技术方案如下：

一种钒酸铋，其特征在于：所述的钒酸铋为粉体，晶相为单斜白钨矿结构，形貌为由空心、多孔的纳米粒子构筑成网状结构。

进一步的，所述的纳米粒子为球状，纳米粒子直径约25-30nm，球壁厚度约10nm，空心结构约5-10 nm。

本发明的钒酸铋，具有以下特点：

本发明的钒酸铋是由大量空心、多孔的纳米粒子构筑的网状结构，纳米粒子直径约25-30nm，球壁厚度约10nm，空心结构约5-10 nm，这种由纳米粒子构筑而成的网状结构尺寸大，有助于催化剂分离回收；纳米粒子尺寸小，使产物具有纳米材料活性高、比表面积大等特点；空心、多孔的纳米粒子使球壁的内外表面均可用于光催化反应，进一步增大比表面积；微粒内部具有的空心、多孔结构，为催化反应提供了反应场所，有助于反应物和产物的进出；纳米粒子构筑的网状结构使产物具有多孔结构，进一步增大了催化剂的比表面积，活性位点增多，提高了催化活性。网状钒酸铋所具有的上述形貌、结构等特点，均有助于可见光催化活性的提高。

本发明的第二方面目的在于提供一种前述钒酸铋的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：