一種釩酸鉍/鈦酸鍶復合光催化劑的制備方法技術

本發明專利技術公開了一種BiVO4/SrTiO3復合光催化劑的制備，主要用于光催化分解水產氫技術。本發明專利技術的方法是將BiVO4攪拌、超聲分散于蒸餾水中，再加入SrTiO3，攪拌、超聲；然后于40~60℃的恒溫水浴蒸干；最后轉移到馬弗爐中，于450~500℃煅燒1~2h，即得BiVO4/SrTiO3復合光催化劑。本發明專利技術以產氫材料SrTiO3為主體，通過與SrTiO3復合形成異質結復合材料，以提高光生電子在半導體BiVO4界面上的遷移速率，同時拓寬SrTiO3在太陽能光譜中的吸收范圍，從而提高鈦酸鍶SrTiO3光催化劑分解水產氫性能。實驗表明，該光催化劑在分解水產氫工藝中，產氫量可達到611.6μmol/g。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種BiVO4/SrTiO3復合光催化劑的制備方法，主要用于光催化分解水產氫的技術中，屬于復合材料
和清潔能源領域。
技術介紹
為了應對目前世界上對于能源和環境的相關要求，基于半導體的光催化分解水技術已經被人們廣泛認可。這項技術的關鍵是尋找活性高、穩定性好的光催化劑。近些年來，研究學者們對鈣鈦礦材料產生了濃厚的研究興趣，發現它們不僅在科學界而且在工程界都有著很廣泛的應用，其中，以鈦酸鍶（SrTiO3）最符合人們對于催化劑的研究要求：催化活性較高、價格低廉、化學穩定性良好、物理性質（如超導性、電介質以及半導體光催化性能）優異等。但是SrTiO3的禁帶寬度只有3.2eV，只能響應占太陽光4%左右的紫外光，對太陽能的利用率較低。因此，提高SrTiO3的催化活性，提高催化劑光生載流子的分離效率，以及促進載流子遷移到表面活性位是非常必要的。為了得到這樣的光催化劑，合成不同形貌的SrTiO3（納米球、納米線、納米管、納米顆粒等），或者與其他半導體結合構筑異質結都是有效的合成手段。之前關于TiO2等半導體光催化劑都有過相關的研究資料，以及暴露活性晶面都是有效的合成手段。因此，我們希望能夠尋找一種合適的半導體與SrTiO3形成異質結以提高光催化劑的性能。BiVO4是一種能夠響應可見光的光催化劑，禁帶寬度較窄，化學穩定性較好，是一種有效的可替代的半導體材料，其制備方法也已經相當純熟，但是同樣的，對于這種半導體來說，光生載流子的遷移速率較低，而且該催化劑本身是不能夠產氫的。因此，我們是期望以產氫材料SrTiO3為主體，制備一種BiVO4/SrTiO3的復合材料，既具有BiVO4和SrTiO3的光催化性能，又具有光催化分解水產氫的功能，應用在清潔能源領域，用于代替化石燃料來解決能源短缺和環境污染問題。
技術實現思路
本專利技術的目的提供一種BiVO4/SrTiO3復合光催化劑的制備方法。一、BiVO4/SrTiO3復合光催化劑的制備本專利技術以產氫材料SrTiO3為主體，通過與SrTiO3復合形成異質結復合材料，以提高光生電子在半導體BiVO4界面上的遷移速率，同時拓寬SrTiO3在太陽能光譜中的吸收范圍，從而提高鈦酸鍶SrTiO3光催化劑分解水產氫性能。具體制備工藝為：將BiVO4攪拌、超聲分散于蒸餾水中，再加入SrTiO3，攪拌、超聲，使二者充分混合；然后于40~60℃的恒溫水浴蒸干；最后轉移到馬弗爐中，于450~500℃煅燒1~2h，即得BiVO4/SrTiO3復合光催化劑。BiVO4/SrTiO3復合光催化劑中，BiVO4的質量百分含量為1~9%。二、BiVO4/SrTiO3復合光催化劑的表征與分析1、X射線衍射分析（XRD）圖1為制備的SrTiO、BiVO4和一系列復合物BiVO4/SrTiO3的XRD圖譜（其中1%是復合物中BiVO4的質量百分含量，以此類推）。從圖1中可以看出，采用水熱法制備的SrTiO3樣品為單晶立方晶相的SrTiO3（標準卡片JCPDS35-0734）。其中2θ在32.42°，39.9°8，46.48°，57.79°，67.73°處的衍射峰分別對應（110），（111），（200），（211）和（220）晶面。計算出SrTiO3的晶格參數a=b=c=3.905，與文獻報道的一致。采用溶膠凝膠法制備的BiVO4樣品為純相的單斜晶相的BiVO4（JCPDS14-0688）。其中2θ在28.95°，30.55°處的衍射峰分別對應（121）和（040）晶面。所有復合物特征衍射峰的位置和峰形相對于純的SrTiO3來說基本上沒有發生改變，表明BiVO4的復合并不影響SrTiO3的晶格結構。但是相對于純的BiVO4來說，其峰形在復合物中的表現并不明顯，這可能是由于BiVO4的復合比例較小，因此XRD的檢測相對困難。但是，隨著BiVO4的復合比例的增大，從5%開始，復合物中能夠可以明顯檢測到（121）晶面的特征衍射峰，這說明我們成功合成了SrTiO3和BiVO4兩種半導體的復合材料。2、掃描電子顯微鏡分析（SEM）圖3為制備的釩酸鉍，鈦酸鍶以及復合物BiVO4/SrTiO3的掃描電鏡圖。（a）是水熱法制備的SrTiO3，由許多均勻的小顆粒組成的球體，球體之間發生了一定的團聚現象，直徑在200nm左右。（b）是采用溶膠凝膠法制備的BiVO4，顆粒較大，直徑在1μm左右，但是孔狀結構非常明顯。（c）~（g）依次為1wt.%、3wt.%、5wt.%、7wt.%、9wt.%BiVO4/SrTiO3的復合材料。可以看出，復合材料在焙燒過程中都發生了一定的燒結，小顆粒緊密的粘連在一起形成了較大的顆粒，而且隨著SrTiO3比例的增大，偶爾也出現一些層狀結構，如圖（d）~（f），而當復合比例達到9wt.%時，層狀結構又消失了，這時的復合材料由無定型的納米顆粒組成。3、紫外-可見漫反射分析（DRS）為了驗證所制備的催化劑的光學性質，如圖2是催化劑的紫外可見漫反射吸收光譜圖，與我們設想的相似，BiVO4可以響應可見光，吸收邊在520nm左右；而純的SrTiO3，只能響應占太陽光4%左右的紫外光，吸收邊在380nm左右；將兩者復合起來之后，隨著BiVO4復合比例逐漸增大，復合物的吸收邊發生紅移，吸收邊分布在380-420nm左右，這意味著復合物對光的吸收能力逐漸增強，我們猜測這樣的變化能夠提高催化劑的光催化活性。根據公式：ahν=A(hν-Eg)n/2，計算得到各個樣品的禁帶寬度，如圖4所示，BiVO4禁帶寬度為2.4eV，這和文獻報道的數據一致，純的SrTiO3的禁帶寬度為3.18eV，這和文獻報道的數據也相差無幾，其它復合物的禁帶寬度也驗證了我們的猜想，其禁帶寬度分布在2.95~3.1eV。我們都知道，禁帶寬度越窄，光子激發所需要的能量就相對越小，對于光生電子來說，其躍遷就越容易，這對于催化劑的光催化活性有著至關重要的作用。4、光電流測試（PT）雖然BiVO4本身能夠響應可見光，禁帶寬度較小，但是由于光量子效率較低阻礙了其本身的光催化活性。我們知道，電子受到光子能量的激發，產生的光生電子和空穴一部分在轉移到催化劑表面的過程中會發生復合而失去活性，簡稱失活。因此，為了提高催化劑的光催化活性，一方面，我們要降低光生電子和空穴的復合幾率，另一方面，也要加快電子和空穴的遷移速率。在光的照射下立即發生的瞬態光電流衰減可以對光電陽極的電荷重組行為進行解釋。圖5為復合物BiVO4/SrTiO3在偏壓為0.6V的條件下的瞬時光電流。每隔10s在紫外光的照射下（λ<420nm）測試催化劑的電流密度，5wt.%BiVO4/SrTiO3的光電流最大，在開燈的瞬間，一部分光生電子和空穴在瞬間發生復合，光電流在最高峰處迅速降低，因此，電流的衰減可以被認為是光生電子和空穴對復合的標志，催化劑內部電子的積累或者催化劑表面空穴的積累都可能造成這種電荷重組。當關閉燈的時候，催化劑表面積累的空穴會作為瞬間的光電陰極與催化劑導帶積累的電子發生反應。但是，這種現象在圖5中幾乎沒有檢測出來，因此，光電流的衰減主要是由于光電陽極上電子的遷移速度較差導致的，衰減時間可以通過公式D=(It-Is)/(Im-Is)計算本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種BiVO4/SrTiO3復合光催化劑的制備方法，是將BiVO4攪拌、超聲分散于蒸餾水中，再加入SrTiO3，攪拌、超聲，使二者充分混合；然后于40~60℃的恒溫水浴蒸干；最后轉移到馬弗爐中，于450~500℃煅燒1~2h，即得BiVO4/SrTiO3復合光催化劑。

【技術特征摘要】
1.一種BiVO4/SrTiO3復合光催化劑的制備方法，是將BiVO4攪拌、超聲分散于蒸餾水中，再加入SrTiO3，攪拌、超聲，使二者充分混合；然后于40~60℃的恒溫水浴蒸干；最后轉移到馬弗爐中，于450~500℃煅燒1~2h，即得BiVO4/SrTiO3復合光催化劑。2....

【專利技術屬性】
技術研發人員：王其召，張淑玲，焦丹花，白燕，佘厚德，王芳平，
申請(專利權)人：西北師范大學，
類型：發明
國別省市：甘肅;62