[发明专利]一种可见光响应铁系光催化剂的制备方法

说明书

本发明公开了一种可见光响应铁系光催化剂，包括过渡金属、稀土、铋和铁等成分，最终产物分子式计量为Bi_(1‑x‑y)T_xP_yFeO₃，式中T为过渡金属，P为稀土元素，0＜x≤0.07，0＜y≤0.07。采用低温热分解配位前驱体法，快速制备掺杂过渡金属和稀土元素的复合铁酸铋，包括配位前驱体的制备和配位前驱体的热分解等二个步骤：先制备共掺杂铁酸铋的前驱体，使金属和稀土离子进入铁酸铋晶格中；然后热分解配位前驱体，使之形成纳米级复合铁酸铋氧化物Bi_(1‑x‑y)T_xP_yFeO₃、T为过渡金属，P为稀土元素；该系催化剂具有较强的顺磁性；在可见光下对亚甲基兰水溶液的脱色率大于95％；样品使用后的磁化回收率达90％。

技术领域

本发明涉及一种可见光响应铁系光催化剂及制备，属于无机非金属材料制造技术领域。

背景技术

目前采用光催化技术用于降解环境污染物已开始应用，但遇到几个限制因素：一是以二氧化钛为主的半导体光催化剂，因其带隙较宽(2.8eV)，只能依赖387nm以下的紫外光才能发挥作用，不能利用太阳光，成本高；二是产生的光生电子和光生空穴易复合，使光催化剂的量子效率低，去污能力差；三是制得的粉末态光催化剂在废水和废气处理中难回收，限制了应用。

铁酸铋(BFO)也是一种半导体光催化剂，它带隙较窄(2.2eV左右)，对光响应范围达400nm的可见光区，化学稳定性也好，在室温下有弱磁性，具有光催化活性和磁分离性能。但它产生的光生电子和光生空穴也易复合，使之光催化效率不高。另外，由于自身周期摆线螺旋结构(周期约62nm)导致铁离子固有磁矩相互部分抵消，使得BFO宏观表现磁性很弱。为此，开发光催化效率高、化学性质稳定、价廉的催化剂已成为当务之急和热点课题。

近年来有关掺杂适量的金属离子在一定程度上可改变BFO的铁电、铁磁等性能的文献已有很多报道，代表性的论文有：稀土元素钇和钬掺杂对铁酸铋磁性的影响(《武汉工程大学学报》，2013)，水热法制备稀土掺杂铁酸铋粉末及其性能研究(《材料导报B》，1914)，BiFeO₃的制备及光催化氧化性能研究(《环境科学与技术》，2015)，过渡族金属掺杂对BiFeO₃物相和光催化性的影响(《环境科学和技术》，2017)等。

有关掺杂铁酸铋光催化剂的发明专利也比较多，如：

CN105170157A公开了“一种钕掺杂铁酸铋纳米光催化剂及其制备方法”，该发明提供了一种可见光响应型钕掺杂铁酸铋纳米光催化剂，其特点在于该光催化剂的化学式为Bi_(1-x)Nd_xFeO₃(0＜x≤0.02)，具有多孔纳米结构，颗粒尺寸介于100～300nm范围。同时，本发明还提供了该纳米光催化剂的制备方法，其特点在于，将硝酸铁、硝酸铋和硝酸钕按比例溶于乙二醇形成溶液，加入一定量的酒石酸作为螯合剂，混合均匀，加热形成溶胶后烘干，研磨后焙烧即可得到钕掺杂铁酸铋纳米粉体。本发明得到的钕掺杂铁酸铋纳米光催化剂具有良好的可见光响应和光催化性能，制备方法简单，工艺条件易调控，成本低，无污染，易于工业生产和推广应用。

CN101303928公开了“一种钴掺杂铁酸铋多铁材料及其制备方法”，该发明公开的钴掺杂铁酸铋多铁材料,其化学式为BiCo_xFe_1-xO₃,0＜x≤0.07。制备方法包括制备铁、铋和钴的羟基氧化物沉淀作为反应物料,加入适宜浓度的氢氧化钾促进晶化,于120～200℃下,水热反应得到掺钴铁酸铋粉体。本发明通过钴掺杂,使铁酸铋的磁性得到显著提高。且工艺过程简单,无污染,成本低,易于规模化生产。本发明的掺钴铁酸铋多铁材料结晶质量稳定,在信息存储、卫星通讯、精密控制、高压输电线路的电路测量、磁电传感器等领域有着广泛的应用前景。