[发明专利]一种碳纤维支撑液膜燃烧制备高活性CQDs/BiVO4复合纳米光催化材料的方法

说明书

本发明涉及一种碳纤维支撑液膜燃烧制备高活性CQDs/BiVO4复合纳米光催化材料的方法，以改性后碳纤维为支撑体，采用液膜燃烧法(LFC)，通过将反应原料溶液附着于改性后的碳纤维，在一定温度下煅烧2h后，用去离子水或乙醇或甲醇清洗后，高速离心烘干，一步合成CQDs/BiVO4复合纳米材料。该材料晶体粒径小，并具有高光催化活性。本方法可以批量制备CQDs/BiVO4复合纳米材料，合成方法简单，重复性好，在光分解水、光催化氧化环境污染物等领域具有广泛的应用前景。且该方法还可以推广用于其他多金属氧化物的合成。

技术领域

本发明属于环境污染治理技术领域，涉及ー种钒酸铋可见光光催化材料的制备方法。

背景技术

随着社会不断发展，环境污染治理是人类社会面临和急需解决的重大课题。在众多的环境污染治理技术中，半导体多相光催化技术，因其能室温条件下反应、可直接利用太阳光作为光源来驱动氧化-还原反应等优点而成为ー种理想的环境污染治理技木。BiVO₄作为ー类新型可见光半导体光催化材料，因其带隙较窄(约2.4eV)，波长响应范围扩展到520nm左右，光化学性能稳定，氧化还原能力强，无毒、价廉等优点正在成为可见光光催化研究領域的热点。研究报道BiVO4主要有3种晶体结构，包括四方晶系白钨矿型(高温相)、四方晶系硅酸锆型和单斜晶系变形白钨矿型(褐钇铌矿型)。其中单晶·白钨矿结构的单体BiVO4光催化活性相对最高。然而，BiVO₄的导带边位于0V，其光生电子不容易被空气中的氧气捕获而在催化剂表面积累，増加了电子与空穴的复合几率，致使在可见光下降解有机物的能力较差。因此在这种情况下快速捕获光激发电子，抑制其与高能空穴的复合，对提高此类光催化剂可见光催化降解污染物的效率至关重要。为此，研究者采取了多种手段对其进行修饰与改性，其中复合碳量子点(CQDs)能有效抑制光生电子-空穴复合，延长光载流子寿命，是提高光催化活性的一种有效方法。CQDs是一种粒子尺寸小于20nm的新型碳纳米材料，具有成本低廉、低毒、化学惰性、导电性良好、快速转移和存储电子的特性。如Wu等采用水热法和电化学法分别制备BiVO₄和CQDs，然后将两者按照一定比例与环己烷混合，40℃下回流3h，然后在85℃下将环己烷蒸发干得到CQDs/BiVO₄量子点,分解水制氢能力是单独BiVO₄量子点的4倍。Nan等制备了CQDs与反蛋白石BiVO₄复合，CQDs对可见光的强吸收能力以及对光生电子的捕获，复合CQDs后，分解水制氢效率提高了五倍。但目前制备CQDs与光催化材料掺杂基本都需分步法，本发明采用碳纤维支撑液膜燃烧法(LFC)，通过碳纤维表面改性，改变表面浸润性和引入特征官能团，调节反应前驱溶液在纤维表面成膜状态，能一步实现BiVO₄与CQDs的原位复合，降低电子-空穴的复合率，有效提高BiVO₄的可见光催化活性。目前尚未见采用此种简易方法，实现BiVO₄与CQDs原位复合的相关报到。

发明内容

本发明涉及一种高活性碳量子点(CQDs)/BiVO₄光催化材料的制备方法，

一种碳纤维支撑液膜燃烧制备高活性CQDs/BiVO4复合纳米光催化材料的方法，制备步骤如下：

(1)碳纤维改性：采用无胶碳纤维，将其剪为10cm长，先依次采用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗，然后将其在至少含有硝酸或硫酸的酸性条件下浸泡24-72小时，再经去离子水超声清洗，40℃下烘干；

(2)BiVO₄反应溶液制备：将一定量的硝酸铋和偏钒酸铵以1:1摩尔比，分别溶于溶剂 (去离子水或乙二醇)后混合，并分别加入柠檬酸或尿素或乙二胺四乙酸等，再将两溶液混合，然后用氨水调节混合溶液pH值为5-6,在80℃下持续搅拌蒸发反应原料溶液至一定粘度，将一定量烘干的碳纤维等体积浸渍于反应溶液；

(3)将步骤(2)附有一层反应溶液液膜的碳纤维，置于马弗炉中于400-450℃下煅烧1h；