/c复合光催化剂及其应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种应用于污水光催化降解方面的复合光催化剂，具体涉及一种 (Bi0)2C03/C复合光催化剂及其在光催化降甲基紫方面的应用。
【背景技术】
[0002] 随着人们对光催化氧化技术不断深入的研究，光催化作为一种新型的技术已经广 泛应用到环境质量当中，尤其是随着人类社会的不断发展，工业废水当中的有机物加剧，而 染料废水是这些污染物的重要来源，严重威胁到人类赖以生存的水资源。近几年，以光催化 氧化为典型的高级氧化逐渐成为重要的工业废水处理技术，受到越来越多企业人士和研究 人员的青睐。
[0003] 光催化剂在光催化降解的过程中，其使用主要为固定态和游离态两种方式。所谓 的游离态就是催化剂在反应体系中的利用是以未负载的形式、均匀的悬浮于体系当中。这 种形式下由于几乎没有传质阻力，有机污染物和光催化剂颗粒可以进行充分的接触，理论 上其催化降解效率比较高。但是因为光催化剂在反应过程中，其活性损失比较大，而且分散 溶液中的光催化剂回收过程比较繁琐，同时悬浊液当中的溶剂会对光的穿透性以及其它化 学组分对光的吸收的影响，会造成光催化降解率随着溶液浓度的增加而减弱。此外，悬浮体 系中的光催化剂颗粒比较细小，不易分散，这导致悬浮液中的光催化剂在印染废水处理中 难以广泛利用。固定态是通过适当的方法把光催化剂固定在合适的载体上，因此光催化剂 就会以负载的形式来对污染物经行光催化降解。近些年来的研究表明，负载型光催化剂能 够很好的解决游离态光催化剂在使用过程中存在的问题，进而能够提高其光催化效率。目 前人们尝试的载体种类很多，如多孔载体有活性白土、氧化铝和活性炭等;非多孔载体有氧 化锌、石棉和玻璃纤维等；硅藻土、石英和碳化硅等比表面积较小的物质以及TiO 2和ZnO等 半导体类载体。载体作为活性组分的骨架，起着分散活性组分并会增强催化剂强度的作用。
[0004] 铋属于P区元素，原子序数为83。铋系光催化剂在半导体光催化材料中因其独特的 电子结构、优良的可见光吸收能力和较高的光催化性能而受到了国内外研究者的普遍关 注。我国的铋资源丰富，这为铋系光催化剂的研究奠定了基础。近几年报道的新型铋系光催 化材料有：8丨2冊6,812]?〇0 6,8^〇4,81他〇4,81卩6〇3,81(^，812112〇7和(810)2〇)3。在部分铋系光 催化材料的禁带结构中，Bi6s和Bi6p轨道会分别参与价带和导带的构成，导致近代宽度变 窄，从而光吸收的范围从紫外区扩展到可见光区，Bi 6s和02p轨道的杂化会使该类光催化 材料的价带更加的分散，这将有利于光生空穴在价带上面的移动，进而会降低光生空穴和 光生电子的复合，这也是铋系光催化材料具有良好可见光催化活性的原因之一。研究表明， 铋系光催化材料形貌和结构都较丰富，这些特定的形貌和结构对光催化活性具有明显的促 进作用。
[0005] (BiO)2CO3于1984年被首次报道，当时主要是用于位电极和医药等方面，直到2002 年，（Bi0) 2C03的晶体结构才被确定。（Bi0) 2C03属于Imm2空间群，为正交晶体结构，晶胞参数 为&=3.865 4=3.865，。=13.6751。其晶体结构是由[8丨202]2+和[0)3]2-交替组成，而且(0) 3)基 团和Bi-O所结构二者所在的平面层互相垂直，这种内部结构可能会诱导晶体沿着特定的轴 向生长成形成各向异性的片状结构。近几年，（BiO)2CO3作为一种新型的光催化材料，受到越 来越多的关注。（BiO) 2CO3的禁带宽度约为3.38 eV，只能接受紫外光，不能被可见光激发，文 献报道的（BiO)2CO3-般未经改性。目前，对于（BiO)2CO3/C复合型光催化剂尚未见相关报 道。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种（Bi〇)2c〇3/c复合光催化剂及其应用。采用以竹纤维 为碳源的碳纤维作为载体，利用简单易行的水热法合成了（Bi0) 2C03/C复合材料。将碳纤维 的吸附性能和(BiO)2CO 3的光催化性能相结合，获得了对有机污染物有效的催化降解。
[0007] 本发明采用以下技术方案： 一种(Bi0)2C03/C复合光催化剂，其特征在于，它是由下述方法制备的： (1) 竹纤维预处理:将竹纤维切成2 cm长的节段，置于IOOtC沸水中煮30 min，煮沸后将 竹纤维进行烘干处理，烘干温度为80°C，保温时间为6 h; (2) 竹纤维的炭化及Bi2O3负载:将步骤（1)处理的竹纤维浸泡在硝酸铋溶液中，后将浸 渍充分的竹纤维取出挤干，吹干后放入马弗炉中煅烧，得到碳纤维负载氧化铋Bi 2〇3/C; (3) (Bi0)2C03/C的合成：取500mg步骤（2)制得的Bi2〇 3/C加入到100 mL碳酸钠溶液中， 磁力搅拌20 min，后将混合物放入反应釜中反应，反应结束后的产物经蒸馏水、乙醇洗涤后 烘干，即可得到(BiO) 2C03/C复合光催化剂。
[0008] 所述步骤(2)中硝酸铋溶液的浓度为0.1 mol/L。
[0009] 所述步骤(2)中竹纤维浸泡时竹纤维与硝酸铋的质量比为1:15,浸渍时间为4 h。
[0010] 所述步骤(2)中马弗炉煅烧温度为500°C，时间为lh。
[0011]所述步骤(3)中碳酸钠溶液的浓度为0.5 mol/L。
[0012] 所述步骤(3)中反应釜中的反应温度为100~190°C，反应时间为24 h。
[0013] 所述步骤(3)中烘干温度为80 °C，烘干时间为8 h。
[0014] 上述（Bi0)2C03/C复合光催化剂的应用，其特征在于，可用于催化降解处理甲基 紫，在500 W长弧氙灯照射100 min后，甲基紫的降解率可达90%。
[0015] 本发明采用竹纤维炭化后作为碳纤维载体来制备(Bi0)2C03/C光催化剂。竹纤维是 提取于竹子中的一种纤维材料，我国竹类资源十分丰富，约占世界竹资源的1/3,丰富的竹 资源为研究提供了丰富的原料。此外，竹纤维有良好的亲水性，它的空隙比较发达且比表面 积大，其内部有许多网状的小孔，这些小孔是相互连通的，并且都通向载体的表面，在浸泡 过程中，溶液易于浸入到竹纤维的内部，这位催化剂的负载提供了良好的条件；同时，竹纤 维的毛细管效应强烈、纵向表面比较粗糙而且有许多较浅的沟槽，因此具有良好的吸湿性 和渗透性，这些特点都为光催化剂(BiO) 2CO3在其上面的生长提供了有利条件。
[0016] 传统的粉末状光催化剂不利用于其回收，吸附剂只是将有机污染从液相转移到固 相上，负载在碳纤维上面的催化剂相比粉末状的催化剂更利于回收和二次利用，且能够综 合利用纤维的吸附和催化剂的降解能力，更符合环保的理念。本发明中碳化竹纤维一方面 作为(BiO) 2CO3的载体，另一方面，C可进入(BiO)2CO3晶格实现掺杂效应，使其能够接受可见 光激发而发生光催化作用。
[0017] 本发明的有益效果是:采用以竹纤维为碳源的碳纤维作为载体，利用简单易行的 水热法合成了（Bi0)2C0 3/C复合材料。将碳纤维的吸附性能和(BiO)2CO3的光催化性能相结 合，获得了对有机污染物有效的催化降解。同时，碳纤载体对(BiO) 2CO3起到了良好的分散作 用，有效避免了粉末、颗粒状催化剂回收困难问题，便于更好的回收和二次利用，更符合环 保的理念。
【附图说明】
[0018] 图1中a为不同光催化剂在氙灯照射下对降解甲基紫时降解时间与C/Co的关系曲 线;b为实施例3重复利用时，降解时间与C/Co之间相互关系曲线。
[0019]图2中a是步骤2所制备的Bi2〇3/C的XRD; b是在Bi2〇3/C基础上，实施例1、2、3所制 备试样的XRD谱图。
[0020] 图3为本竹纤维(a)及实施例3合成试样的SEM照片与EDS谱图（b-f·)。
[0021] 图4为发明中实施例3合成试样的N2吸附脱附曲线(a)及孔径分布曲线(b)。
【具体实施方式】
[0022] 以下结合实施例，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。 [0023] 实施例1 将竹纤维切成2 cm长的节段，竹纤维置于100 °C的沸水中煮30 min，煮沸的目的是清 洁竹纤维表面，使其在后续高温碳化过程中不黏连。煮沸后竹纤维进行烘干处理，烘干温度 为80 °C，保温6 h。将处理后的竹纤维浸泡在0.1 mol/L硝酸铋溶液中，竹纤维与硝酸铋的 质量比为1:15,浸渍时间为4 h，后将浸渍充分的竹纤维取出挤干，吹干后放入马弗炉中煅 烧，煅烧温度为500