一種光催化薄膜材料及其制備方法與流程

本發明屬于光催化領域，具體涉及一種光催化薄膜材料及其制備方法。

背景技術：

隨著人類社會文明的發展，人類對原有自然界生態的影響越來越大，在過度開發利用自然資源時造就了一系列環境問題。其中水資源匱乏、水體污染在隨著全球社會經濟的發展進程中日益突出。因此污水治理就顯得尤為重要。在眾多的污水處理工藝中，光催化氧化降解技術，由于其具有高效、無選擇性、穩定性高、綠色無毒、無二次污染、能耗低、操作簡便和低成本等突出優點。

自1972年日本科學家Fujishima和Honda首次報道TiO₂在紫外光照下可以光解水產生氫氣和氧氣以來[1]，半導體光催化技術受到了越來越多的關注。對于半導體材料來說，它們可以在光照條件下產生電子-空穴對，部分電子、空穴可以遷移到半導體表面與水環境中的O₂、OH^-等反應生成化學氧化活性很強的自由基。這些自由基、光生電子和空穴可以直接與待降解反應物發生作用并將其氧化分解，達到光催化降解有機污染物的效果。

近年來，人們對開發新型的可見光催化劑做了大量研究，其中作為新型可見光響應的光催化劑，BiOX(X＝Cl，Br，I)鉍系化合物由于[Bi₂O₂]²⁺與鹵素層之間較強的內建電場的存在[2]，顯著提高了電子-空穴對的分離效率，顯現出較高的催化活性而備受關注。

自2006年，Zhang等[3]用水熱法制備了BiOCl粉體材料首次開發出了鹵氧化物在光催化領域的應用后，BiOI因其較窄的禁帶寬度(約1.8eV)能被可見光激發并在可見光下顯現出較高的催化活性，從而作為一種新型可見光催化材料引起了越來越多的關注[4]。在采用不同合成方法條件下各種不同形貌的BiOI也被相繼成功制備，比如常用的水熱法、溶劑熱法、微波水熱法、聲化學法等等。但這些方法制備出來BiOI大多是粉體形式的納米材料。由于粉體材料在具體的工業運用中，普遍存在回收困難、重復利用率差等缺點。所以實現光催化劑的固載化，提高材料與預處理水體的分離效率是光催化污水工業運用推廣中難以回避的問題。

[1]A.Fujishima,Nature,238(1972)37-38.

[2]R.Hao,X.Xiao,X.Zuo,J.Nan,W.Zhang,J Hazard Mater,209–210(2012)137-145.

[3]K.-L.Zhang,C.-M.Liu,F.-Q.Huang,C.Zheng,W.-D.Wang,Applied Catalysis B:Environmental,68(2006)125-129.

[4]J.Li,Y.Yu,L.Zhang,Nanoscale,6(2014)8473-8488.

技術實現要素：

本發明的目的在于針對現有技術中存在的問題，提供一種光催化薄膜材料及其制備方法。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案實施：

一種光催化劑薄膜材料，光催化劑薄膜材料為原位生長于基體表面的呈片狀結構的BiOI薄膜材料。

所述片狀結構的長度為0.8～2.0μm，厚度為20～60nm。

一種光催化劑薄膜材料的制備方法，將Bi(NO₃)₃·5H₂O分散于過量的乙二醇中并加入表面活性劑，隨后加入與Bi(NO₃)₃·5H₂O等摩爾量的KI水溶液，待兩者混合均勻后轉移至反應釜(反應釜內襯為Teflon)中，然后將經預處理的鐵基體材料浸沒于上述混合液中，100～200℃反應為2～36h，即在鐵基體表面原位生長具有片狀結構的BiOI薄膜材料。

所述Bi(NO₃)₃·5H₂O分散于過量的乙二醇中采用超聲分散10～60min，然后進行磁力攪拌10～60min。

所述表面活性劑為PVP，其在反應體系中的濃度范圍為1～30mM。

所述Bi(NO₃)₃·5H₂O濃度為1～50mmol/L；KI濃度為1～50mmol/L。

本發明的有益效果在于：

本發明采用原位生長法在鐵基體表面制備了具有片狀結構的BiOI薄膜材料。它很好的解決了BiOI光催化材料的固載化難題，提高了光催化材料與預處理水體的分離效率。。與普遍采用的溶膠凝膠法所制備的BiOI薄膜材料相比，具有一次成型、操作簡單的技術優勢。這種片狀結構的BiOI固化膜材料具有高效的光催化性能；具體：

(1)本發明采用的制備方法工藝簡單，易于控制、成本低廉。

(2)制備的片狀結構的BiOI光催化薄膜材料在污水處理領域具有潛在的利用價值。

附圖說明

圖1為本發明所制備BiOI薄膜的X-射線衍射(XRD)圖譜(其中橫坐標為2θ(角度)，單位為degree(度)；縱坐標為Intensity(強度)，單位為a.u.(絕對單位)。

圖2為本發明所制備BiOI薄膜的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。

圖3為本發明所制備BiOI薄膜對羅丹明B(Rh-B)的循環降解實驗，橫坐標為Recycle number(循環降解次數)，縱坐標為Degradation efficiency(降解效率)單位為mg·m^-2·h^-1(毫克每平方米每小時)。

具體實施方式

以下通過具體的實施例對本發明作進一步說明，有助于本領域的普通技術人員更全面的理解本發明，但不以任何方式限制本發明。

本發明通過原位生長法在鐵基體表面制備了具有片狀結構的BiOI光催化薄膜材料。由于BiOI薄膜材料是直接在鐵基體表面原位生長所得，致使BiOI薄膜材料與鐵基體表面的結合力較強，保證了薄膜的結構穩定性。在可見光下表現出高效的光催化效應，在水體凈化和海洋防污等領域具有很好的實用價值和潛在的應用前景。同時該單體光催化劑薄膜材料還具有成膜均一、價格低廉和重復性好等特點。

實施例1具有片狀結構的BiOI光催化薄膜材料的制備方法

在水熱條件下采用原位生長的方法，在鐵基體表面制備具有片狀結構的BiOI光催化薄膜材料，具體為：

稱取1.5mmol,Bi(NO₃)₃·5H₂O及25mmol,PVP加入到40mL乙二醇中，超聲分散30min，稱取1.5mmol,KI溶解于10mL,H₂O中，隨后將兩種溶液混合均勻，并轉移至80mL的Teflon材質的反應釜內村中。將事先預處理好的鐵片(400目砂紙打磨，)浸沒于上述混合溶液。隨后將反應釜加熱至180度，反應時間為24h。反應完成后，將鐵片取出，依次用無水乙醇，蒸餾水沖洗干凈，最后置于干燥箱中60oC干燥6h，在鐵表面即得到BiOI光催化薄膜材料(參見圖1和圖2)。

由圖1可知，所制備的BiOI呈現四方晶體結構，且XRD譜圖中沒有發現其他的物質的雜峰，說明所制備的BiOI納米材料均有較高的純度。

由圖2可見，BiOI呈片狀且較大部分片狀材料垂直于鐵基體表面，片的長度約為1.5μm，厚度約為50nm，由此可見其結晶度較高。

實施例2具有片狀結構的BiOI光催化薄膜材料的制備方法

在水熱條件下采用原位生長的方法，在鐵基體表面制備具有片狀結構的BiOI光催化薄膜材料，具體為：

稱取0.5mmol Bi(NO₃)₃·5H₂O加入到35mL乙二醇中，超聲分散30min，稱取0.5mmol KI溶解于10mL，H₂O中，隨后將兩種溶液混合均勻，并轉移至80mL的反應釜中。將事先預處理好的鐵片(2000目砂紙打磨，)浸沒于上述混合溶液。隨后將反應釜加熱至120℃，反應時間為36h。反應完成后，將鐵片取出，依次用無水乙醇，蒸餾水沖洗干凈，最后置于干燥箱中60℃干燥6h，在鐵表面即得到BiOI光催化薄膜材料。

實施例3所制備的片狀結構的BiOI光催化薄膜對Rh-B的循環降解。

將表面生長有BiOI光催化薄膜的鐵基體裁剪成1.5×4cm的矩形方塊。隨后將基體放入10mL的石英試管，并加入4mL預配置好的濃度為10mg/L的Rh-B染料，置于光反應儀中，所用光源為300W的氙燈，待每次光照1h后，測定并計算Rh-B的降解效率。隨后將鐵基體拿出，用蒸餾水清洗后進行下一次的降解實驗。為說明材料的穩定性實驗共測試了材料對Rh-B的10次循環降解過程。(參見圖3)

由圖3可知材料具有很好的穩定性，在對Rh-B循環降解10次后還能保持很好的活性。表明其在廢水處理領域具有很好的利用前景。