[发明专利]铁酸铋催化剂及其制备方法和用途

说明书

本发明公开一种铁酸铋催化剂及其制备方法和用途。本发明的制备方法包括以海藻酸钠水溶液为晶体生长导向剂制备铁酸铋前驱体，使铁酸铋前驱体与碱性溶液混合，在适于铁酸铋体前驱体与碱性溶液反应的温度下反应，得到铁酸铋催化剂。本发明的铁酸铋催化剂为纯相催化剂，并且具有制备方法简单、晶体结晶度高、晶体形貌规则的特点，其催化性能显著提高，在光催化制氢以及污染物光催化降解方面具有广阔应用前景。

技术领域

本发明涉及催化剂领域，具体地涉及铁酸铋催化剂及其制备方法和用途。

背景技术

多铁材料是指同时具有两种或两种以上铁性有序(例如铁电、磁性等)的一类智能材料，已入选2007年度美国《科学》杂志公布的热点科学问题。铁酸铋Bi₂Fe₄O₉(BFO)作为室温单相多铁性材料，不但具有优越的铁电特性，同时由于电、磁、应变之间的耦合作用，可以实现用电场控制磁化，是研究新型多铁材料的热点。该催化剂材料具有远高于室温的反铁磁奈尔温度和铁电居里温度，是少数在室温条件下同时具有铁电性与寄生弱铁磁性的单相多铁材料之一。

在光催化领域应用方面，尤其是太阳能作为一种新能源，可以利用光催化剂将水分解为氢气和氧气。由于分解水产氧是一个四电子反应，所以是分解水的决速步骤，因此需要开发一种高效分解水产氧光催化剂。目前，已经开发出大量的光催化分解水产氧催化剂，包括氧化钛、钒酸铋、氧化钨等，致力于制备高效的半导体基光催化剂。其中铁酸铋作为一种n型半导体，原料成本低，材料无毒无害等，已用于光催化分解水、处理环境污染物等。而且由于其具有合适的窄带隙(约2.0eV)，而且价带位置较正(约2.5V)，可以在热力学上满足光催化分解水产氧的需求。这些特殊的性质使具有极大的应用潜力和商业前景。

目前，已有多种制备方法用于制备铁酸铋材料，例如固相烧结法、磁控溅射法、快速液相烧结法、溶胶凝胶法、水热法和微波水热法等。传统制备方法通常需要在600℃预烧，然后加热到750℃到850℃之间得到产物。另外，传统制备方法得到的铁酸铋颗粒大且难以调节尺寸。虽然有研究表明加入有机助剂可以降低温度，但造价较高不利于工业生产。

例如，CN101890354A公开了一种降解水中有机污染物的铁酸铋光催化剂的制备方法。该方法采用溶剂热法合成光催化剂铁酸铋，合成时硝酸铋与硝酸铁的摩尔比为12：1，采用氙灯为光源，然后将铁酸铋与不同浓度的中性红溶液充分混合以光催化降解水溶液中的中性红染料。但该方法合成的催化剂颗粒尺寸大，因此反应比表面积较小。

再例如，王奔通过结合超声化学法与自蔓延法，制备出纳米级铁酸铋粉体。不过，X射线衍射(XRD)数据表明，制备出的粉体是含有少量杂相的纳米级铁酸铋。通过透射电镜与粒径分析仪对制备出的粉体进行分析，发现超声可以有效地减少纳米颗粒的半径[王奔.多铁性铁酸铋的合成与改性[D].苏州大学,2013]。

因此，找到一种制备方法简单且铁酸铋粒径可调的新方法是铁酸铋催化剂合成中面临的一项挑战。此外，铁酸铋催化剂本身具有的电荷迁移率、光生电荷的复合等性能远未达到理想水平，仍需进一步提高。

发明内容

为解决现有技术中的至少部分技术问题，发明人进行了深入研究，通过大量实验发现通过加入海藻酸钠水溶液作为晶体生长导向剂制备铁酸铋前驱体，并控制碱性溶液的浓度、反应时间能够制备粒径可调且具有纳米级片状结构的铁酸铋纯相催化剂，催化剂的催化性能大大提高。至少部分地基于该发现完成了本发明。具体地，本发明包括以下内容。

本发明的第一方面，提供一种铁酸铋催化剂的制备方法，其包括以下步骤：

(1)铁酸铋前驱体的制备步骤，其包括将铁源和海藻酸钠水溶液混合，并加入铋源，搅拌均匀后得到铁酸铋前驱体；和

(2)铁酸铋催化剂的制备步骤，其包括使所述铁酸铋前驱体与碱性溶液混合，在适于铁酸铋体前驱体与碱性溶液反应的温度下混合反应，得到铁酸铋催化剂。