一種氮化碳/石墨烯/(040)晶面釩酸鉍異質(zhì)結(jié)及其制備方法和應(yīng)用技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種氮化碳/石墨烯/(040)晶面釩酸鉍異質(zhì)結(jié)及其制備方法和應(yīng)用，先通過(guò)水熱法合成(040)晶面BiVO

Carbon nitride / graphene / (040) crystal surface bismuth vanadate heterojunction and preparation method and application thereof

The invention discloses a carbon nitride / graphene / (040) crystal surface bismuth vanadate heterojunction and a preparation method and an application thereof, wherein the crystal surface BiVO (040) is firstly synthesized by hydrothermal method

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種氮化碳/石墨烯/(040)晶面釩酸鉍異質(zhì)結(jié)及其制備方法和應(yīng)用
本專利技術(shù)屬于功能材料領(lǐng)域，涉及一種g-C3N4/RGO/(040)晶面BiVO4異質(zhì)結(jié)及其制備方法和應(yīng)用。
技術(shù)介紹
BiVO4是一種具有可見光活性的光催化劑，主要有單斜白鎢礦、四方鋯石礦、四方白鎢礦三種晶型，其中單斜相BiVO4禁帶寬度約為2.4eV，催化性能最好。單斜晶系的釩酸鉍具有優(yōu)異的可見光響應(yīng)活性，其晶格參數(shù)為：a＝5.185，b＝5.137，c＝11.748，單斜晶系的BiVO4的導(dǎo)帶主要由V3d，O2p和Bi6p三種軌道雜化而成，這種電子結(jié)構(gòu)使光生載流子容易遷移至半導(dǎo)體的表面，使得光催化劑在可見光下更容易發(fā)生光催化反應(yīng)；增加了價(jià)帶的寬度，從而增大了光生空穴的移動(dòng)空間，減少了光生電子-空穴的復(fù)合率，從而更有利于光催化過(guò)程的有效進(jìn)行。其次高活性晶面的暴露對(duì)其性能也有很大的影響，單斜相BiVO4的(040)晶面提供了多原子BiVO4中心，可能是光催化產(chǎn)氧活性點(diǎn)的起源特別有助于催化劑表面高活性氧化活性物種·OH的產(chǎn)生，從而提高降解率。然而，(040)晶面BiVO4也存在光生電子-空穴對(duì)分離率低等問(wèn)題，從而導(dǎo)致其光催化活性降低。因此許多學(xué)者通過(guò)對(duì)其進(jìn)行改性以增強(qiáng)它的可見光響應(yīng)能力，比如形成光催化異質(zhì)結(jié)、摻雜貴重金屬改性、加入稀土元素進(jìn)行改性以及加入碳元素等方法。例如，嵇天浩等人以鈦酸鹽納為前驅(qū)體，采用不同的混合方法法制備了改的TiO2/BiVO4納米復(fù)合材料，紫外光譜測(cè)試結(jié)果表明復(fù)合物的吸收產(chǎn)生了明顯的紅移，以亞甲基藍(lán)作為模擬降解底物的實(shí)驗(yàn)表明，在可見光下，復(fù)合材料的光催化活性遠(yuǎn)高于純的的BiVO4和TiO2晶體。索靜等人結(jié)合水熱法和浸漬法，以非離子表面活性劑P123為模板劑，在200℃條件下制備了Cu改性的BiVO4-Cu復(fù)合材料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，復(fù)合物形態(tài)結(jié)構(gòu)良好，吸收帶發(fā)生明顯紅移且吸收強(qiáng)度增大了很多。陳穎等結(jié)合水熱法-浸漬法-焙燒法在純BiVO4催化劑的表面負(fù)載Co元素，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，反應(yīng)1h后，光催化脫氮率達(dá)到83.59％，而Co的最佳負(fù)載量為4％，反應(yīng)溫度為400℃，焙燒時(shí)間為1h。RGO是一種層狀結(jié)構(gòu)的二維碳材料，帶隙幾乎為零，導(dǎo)電性高，比表面積大，吸附能力強(qiáng)，可作為良好的催化劑助劑，并能夠有效促進(jìn)光生載流子的分離效率，極大增強(qiáng)光催化材料的活性和穩(wěn)定性。g-C3N4由于禁帶寬度約2.7eV、化學(xué)穩(wěn)定性好、制備方法簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注。迄今為止，g-C3N4/RGO/(040)晶面BiVO4復(fù)合物的制備方法的工作尚未見報(bào)道，也沒(méi)有專利和文獻(xiàn)報(bào)道g-C3N4/RGO/(040)晶面BiVO4復(fù)合物的制備方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種氮化碳/石墨烯/(040)晶面釩酸鉍異質(zhì)結(jié)及其制備方法和應(yīng)用，采用超聲法進(jìn)行三相復(fù)合，工藝流程較其它化學(xué)合成法簡(jiǎn)單，成功的合成了g-C3N4/RGO/(040)晶面BiVO4異質(zhì)結(jié)，提高了BiVO4的光催化性能。為了達(dá)到上述目的，本專利技術(shù)采用如下技術(shù)方案：一種氮化碳/石墨烯/(040)晶面釩酸鉍異質(zhì)結(jié)的制備方法，包括以下步驟：步驟1，將Bi(NO3)3·5H2O溶于稀HNO3中，攪拌至澄清，然后加入NH4VO3，攪拌50～80min，形成前驅(qū)液A；其中Bi(NO3)3·5H2O與NH4VO3的摩爾比為1:1；步驟2，將前驅(qū)液A在70～90℃下水熱反應(yīng)13～16h，制得(040)晶面BiVO4沉淀，將該沉淀洗滌、干燥，得到(040)晶面BiVO4粉體；步驟3，將氧化石墨烯溶于體積分?jǐn)?shù)為40～60％的乙醇水溶液中，超聲分散并攪拌均勻，然后加入稀硝酸，超聲分散并攪拌均勻，再加入NaOH溶液，超聲分散并攪拌均勻，得到GO溶液；其中氧化石墨烯與加入的稀硝酸中HNO3以及NaOH溶液中NaOH的摩爾比為(0.35～0.7):1:1；步驟4，將制備好的(040)晶面BiVO4粉體加入GO溶液中，攪拌30～60min形成前驅(qū)液B，將前驅(qū)液B在150～180℃下水熱反應(yīng)80～120min，得到RGO/(040)晶面BiVO4沉淀，將該沉淀洗滌、干燥，得到RGO/(040)晶面BiVO4粉體；其中加入的(040)晶面BiVO4粉體與GO溶液中GO的質(zhì)量比為(3～5):1；步驟5，將CO(NH2)2從室溫升到530～580℃，煅燒2～4h，制得g-C3N4粉體；步驟6，在攪拌條件下，將制得的g-C3N4粉體溶于去離子水中，攪拌、超聲至混合均勻，得到g-C3N4溶液；步驟7，在攪拌條件下，將制備好的RGO/(040)晶面BiVO4粉體加入g-C3N4溶液中，攪拌30～60min，得到前驅(qū)液C，其中加入的RGO/(040)晶面BiVO4粉體與g-C3N4溶液中g(shù)-C3N4的質(zhì)量比為(2～8):(8～2)；步驟8，將前驅(qū)液C在室溫下進(jìn)行超聲反應(yīng)，將反應(yīng)生成的沉淀洗滌、干燥后即得到氮化碳/石墨烯/(040)晶面釩酸鉍異質(zhì)結(jié)。所述步驟1中前驅(qū)液A中Bi3+的濃度為0.1～0.3mol/L，稀HNO3的濃度為1～3mol/L。所述步驟2、步驟4和步驟8中的干燥是在60～80℃恒溫干燥8～10h。所述步驟3中GO溶液中氧化石墨烯的濃度為0.01～0.02g/mL，稀硝酸和NaOH溶液的濃度為2～4mol/L，稀硝酸和NaOH溶液的加入速度為1～3滴/秒。所述步驟3中每次超聲分散并攪拌均勻，均是先在40～60℃下以80～100W的功率超聲分散60～80min，再攪拌10～30min。所述步驟5中的升溫速率為8～12℃/min；所述步驟6中g(shù)-C3N4溶液的濃度為0.01～0.03g/mL。所述步驟8中的超聲反應(yīng)時(shí)間為1～2h，超聲功率為80～100W。所述的氮化碳/石墨烯/(040)晶面釩酸鉍異質(zhì)結(jié)的制備方法制得的氮化碳/石墨烯/(040)晶面釩酸鉍異質(zhì)結(jié)，所述氮化碳/石墨烯/(040)晶面釩酸鉍異質(zhì)結(jié)中BiVO4的結(jié)構(gòu)為單斜相，氮化碳/石墨烯/(040)晶面釩酸鉍異質(zhì)結(jié)中BiVO4、RGO與g-C3N4三相共存，形成了異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，且BiVO4、RGO與g-C3N4的能級(jí)相互匹配。所述氮化碳/石墨烯/(040)晶面釩酸鉍異質(zhì)結(jié)光照后的電荷轉(zhuǎn)移電阻R比純(040)晶面BiVO4粉體的R值減小了3.71倍，氮化碳/石墨烯/(040)晶面釩酸鉍異質(zhì)結(jié)在可見光照下的降解率是純(040)晶面BiVO4粉體的6.4倍。所述的氮化碳/石墨烯/(040)晶面釩酸鉍異質(zhì)結(jié)在光催化降解有機(jī)污染物方面的應(yīng)用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)具有以下有益效果：本專利技術(shù)提供的氮化碳/石墨烯/(040)晶面釩酸鉍異質(zhì)結(jié)的制備方法，先通過(guò)水熱法合成(040)晶面BiVO4粉體，并通過(guò)煅燒法獲得g-C3N4粉體，再通過(guò)水熱法將(040)晶面BiVO4粉體與氧化石墨烯(GO)復(fù)合，復(fù)合過(guò)程中GO還原成石墨烯(RGO)，得到RGO/(040)晶面BiVO4粉體，最后通過(guò)超聲法進(jìn)行g(shù)-C3N4粉體和RGO/(040)晶面BiVO4粉體的復(fù)合，合成了g-C3N4/RGO/(040)晶面BiVO4異質(zhì)結(jié)。該方法超聲反應(yīng)時(shí)間短，工藝流程簡(jiǎn)單。超聲法與其它方法相比具有制備工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，可直接得到結(jié)晶良好的粉體，易于調(diào)控晶粒尺寸等優(yōu)點(diǎn)。由于BiVO4和g-C3N4的本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種氮化碳/石墨烯/(040)晶面釩酸鉍異質(zhì)結(jié)的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1，將Bi(NO

【技術(shù)特征摘要】
1.一種氮化碳/石墨烯/(040)晶面釩酸鉍異質(zhì)結(jié)的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1，將Bi(NO3)3·5H2O溶于稀HNO3中，攪拌至澄清，然后加入NH4VO3，攪拌50～80min，形成前驅(qū)液A；其中Bi(NO3)3·5H2O與NH4VO3的摩爾比為1:1；步驟2，將前驅(qū)液A在70～90℃下水熱反應(yīng)13～16h，制得(040)晶面BiVO4沉淀，將該沉淀洗滌、干燥，得到(040)晶面BiVO4粉體；步驟3，將氧化石墨烯溶于體積分?jǐn)?shù)為40～60％的乙醇水溶液中，超聲分散并攪拌均勻，然后加入稀硝酸，超聲分散并攪拌均勻，再加入NaOH溶液，超聲分散并攪拌均勻，得到GO溶液；其中氧化石墨烯與加入的稀硝酸中HNO3以及NaOH溶液中NaOH的摩爾比為(0.35～0.7):1:1；步驟4，將制備好的(040)晶面BiVO4粉體加入GO溶液中，攪拌30～60min形成前驅(qū)液B，將前驅(qū)液B在150～180℃下水熱反應(yīng)80～120min，得到RGO/(040)晶面BiVO4沉淀，將該沉淀洗滌、干燥，得到RGO/(040)晶面BiVO4粉體；其中加入的(040)晶面BiVO4粉體與GO溶液中GO的質(zhì)量比為(3～5):1；步驟5，將CO(NH2)2從室溫升到530～580℃，煅燒2～4h，制得g-C3N4粉體；步驟6，在攪拌條件下，將制得的g-C3N4粉體溶于去離子水中，攪拌、超聲至混合均勻，得到g-C3N4溶液；步驟7，在攪拌條件下，將制備好的RGO/(040)晶面BiVO4粉體加入g-C3N4溶液中，攪拌30～60min，得到前驅(qū)液C，其中加入的RGO/(040)晶面BiVO4粉體與g-C3N4溶液中g(shù)-C3N4的質(zhì)量比為(2～8):(8～2)；步驟8，將前驅(qū)液C在室溫下進(jìn)行超聲反應(yīng)，將反應(yīng)生成的沉淀洗滌、干燥后即得到氮化碳/石墨烯/(040)晶面釩酸鉍異質(zhì)結(jié)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化碳/石墨烯/(040)晶面釩酸鉍異質(zhì)結(jié)的制備方法，其特征在于，所述步驟1中前驅(qū)液A中Bi3+的濃度為0.1～0.3mol/L，稀HNO3的濃度為1～3mol/...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：談國(guó)強(qiáng)，王穎，趙程程，任慧君，夏傲，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：陜西科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：陜西,61