[发明专利]以钒酸铋纳米片为前驱体制备超薄氯氧铋光催化剂的方法、超薄氯氧铋光催化剂及其应用

说明书

本发明公开了一种超薄氯氧铋光催化剂及其制备方法和应用，该催化剂的制备方法包括以下步骤：将钒酸铋纳米片与氯离子的浓度为150mM～300mM的含氯酸性废水混合进行离子交换反应，离心，洗涤，干燥，得到超薄氯氧铋光催化剂。本发明制得的超薄氯氧铋光催化剂不仅具有超薄的二维片状结构，而且还具有绿色环保、催化氧化活性强、光生载流子分离效率高、稳定性强等优点，可用于降解有机污染物废水，且能够高效地降解废水中的有机污染物(如抗生素)，是一种有着较好的使用价值和应用前景的新型光催化材料。同时，本发明制备方法还具有制备过程绿色环保、制备工艺简单、反应条件可控、成本低等优点，适合于大规模制备，利于工业化应用。

技术领域

本发明属于功能材料领域，涉及一种以钒酸铋纳米片为前驱体制备超薄氯氧铋光催化剂的方法、超薄氯氧铋光催化剂及其应用。

背景技术

随着现代工农业科学技术的飞速发展，有色金属作为重要的战略，其生产和消费资料在人类发展中发挥着越来越重要的作用，引起了人们对有色金属冶炼的浓厚兴趣。强酸性废水是有色金属冶炼的直接副产物，含有大量的氯化物、砷和重金属元素，其中的砷和重金属可通过硫化法有效地去除，而浓度高达数千毫克每升的氯离子难以通过传统的技术去除。自在紫外光照射下使用二氧化钛光催化剂实现全水分解的里程碑式的研究以来，基于半导体的光催化技术已被视为一种有效且可持续的废水处理技术。一方面该技术利用的是绿色、环保、可再生的太阳能，极大地克服了传统处理方法成本高的问题；另一方面该技术中光催化材料受光激发后产生的具有强氧化还原活性的自由基可高效地将大分子污染物降解成小分子或直接矿化成二氧化碳和水，极大的提高了污染物的处理效率。

与传统的光催化剂如二氧化钛和氧化锌相比，新型的铋基半导体光催化剂因其独特的光学和电学性质、优异的理化性质而备受关注，特别是层状三元氧化物半导体氯氧铋(BiOCl)。然而，未经改性的块状氯氧铋由于其宽带隙(～3.4eV)使其只能在紫外光照射下表现出光催化活性，这极大地限制了氯氧铋的实际应用。为克服这一难题，许多研究致力于减小氯氧铋的带隙使其能在可见光照射下被激发。现有研究中，已经证明了引入氧空位是减小其带隙以获得增强的可见光吸收强度和光催化性能的有效策略，但是由于氧空位可作为电子-空穴的复合中心，会导致光生电子空穴重组的速率非常快，使得光催化活性降低，因而实际的光催化性能仍然不太理想。另外，已有研究者提出了构建超薄二维材料的策略。然而，现有超薄氯氧铋纳米片主要是在加入表面活性剂(如聚乙烯吡咯烷酮、十六烷基三甲基氯化铵等)的水热或溶剂热条件下制备而得，其存在的问题是：(1)制备过程中会用到大量的表面活性剂，不仅会增加材料制备的成本，而且会引入新的污染物，从而增加了环境污染治理的负担，同时还使得材料的洗涤过程更加繁琐、制备成本进一步提高，也会增加后续洗涤废水处理的负担；(2)现有薄氯氧铋纳米片的制备方法制备流程较复杂、成本高；(3)现有方法中制得的超薄氯氧铋纳米片仍然存在稳定性差、光生电子-空穴复合效率快、催化活性不足等缺点。此外，在实际研究过程中，本申请发明人还发现：(a)以块状钒酸铋为前驱体，得到的是钒酸铋与氯氧铋的复合材料，且难以获得超薄的氯氧铋纳米片，这是因为块状钒酸铋的厚度过大，不利于与氯离子进行离子交换反应，从而难以形成氯氧铋，同时由于钒酸铋的厚度过大也使得所形成的材料中包含未反应完全的钒酸铋，保留着钒酸铋的形貌、性质；(b)减少块状钒酸铋的厚度以构建超薄的钒酸铋纳米片的研究仍是一大挑战，这主要是因为钒酸铋晶体结构中缺乏各向异性生长的内在驱动力。因此，如何全面解决现有技术中存在的上述问题，获得一种绿色环保、催化氧化活性强、光生载流子分离效率高、稳定性强、不以无机试剂中的氯离子为氯离子来源、操作简单、成本低的超薄氯氧铋纳米片光催化剂，对于扩展氯氧铋在降解有机污染物中的应用范围具有重大的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种工艺简单、操作方便、反应条件可控、不以无机试剂中的氯离子为氯离子来源、成本低、无二次污染的以钒酸铋纳米片为前驱体制备超薄氯氧铋光催化剂的方法，以及由此制得的绿色环保、催化氧化活性强、光生载流子分离效率高、稳定性强的超薄氯氧铋光催化剂及其在降解有机污染物中的应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：