一种合成碘化氧铋的方法

技术领域

本发明涉及光催化剂合成技术领域，尤其是涉及一种合成碘化氧铋的方法。

背景技术

半导体光催化剂可从光获取能量而实现自身电子-空穴的分离。催化剂内部的电子和空穴大都会重新复合而湮灭，而抵达表面的电子和空穴就可以引发还原和氧化反应。如果以太阳光作为光源，理论上光催化技术在没有额外能量来源的情况下就可以实现吸热反应的进行，而达到能量转化、存储的目的，使其成为一种绿色的技术。然而现实问题是，能够直接利用太阳光的光催化剂并不多，比如说最经典的光催化剂二氧化钛(TiO2)，其主要吸收波长短于410纳米的光，即紫外光；而太阳光谱中，紫外光所占的能量仅为3％。相比较，碘化氧铋(BiOI)具有较窄的禁带宽度，大约为1.9eV；这使得它的光吸收边界延伸到650纳米，涵盖了大部分的可见光(可见光能量在太阳光中所占的比例达到42％)。也就是说，在同样强度的太阳光照下，BiOI的潜在光催化效率要远大于TiO2。到目前，BiOI作为光催化剂已经被应用于污染物处理、杀菌、制造光驱动的微型马达等多种领域。

BiOI的制备通常以含三价铋[Bi(III)]的化合物作为前驱物，如硝酸铋、卤化铋等，在含碘离子的水溶液中，铋离子部分水解即可生成BiOI。

而以硝酸铋、卤化铋作为前驱物合成BiOI时，首先需要配制它们的水溶液，然后在该溶液中引入碘化钾(KI)溶液从而获得BiOI产物。而硝酸铋或卤化铋溶液中的三价铋离子的快速水解反应，使得溶液中因缺乏微观的含铋组分，而难以实现纳米结构的调控，即以硝酸铋或卤化铋作为前驱物合成BiOI通常更倾向于给出无规则的块状结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种合成碘化氧铋的方法，以解决现有技术中以硝酸铋、卤化铋作为前驱物合成BiOI时，需要先行配置它们的水溶液，容易形成无规则的块状结构，且生产过程不够经济简单的技术问题。

本发明提供一种合成碘化氧铋的方法，是按照以下步骤完成的：

使用碘化钾(KI)固体和浓硝酸(HNO3)配置浓度均为6mM的KI-HNO3的混合溶液；再将0.5g氧化铋微米棒加入到2mL的6mM的KI-HNO3的混合溶液，所得悬浮液在磁力搅拌器上被搅拌10分钟后，所得固体产物通过离心分离获得并置于60℃烘箱中干燥，烘干后的所得产物即为碘化氧铋成品，可存储于密封、避光的试剂瓶内。

与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：

其一，本发明中，制备碘化氧铋的方法的操作过程更为更简单经济，与硝酸铋或卤化铋溶液相比，固态氧化铋更容易存储，随用随取，无需额外配制含铋溶液；且本方法所得的BiOI纳米片有序组装，可形成与Bi2O3微米棒类似的棒状结构，相较于传统制法中，以硝酸铋、卤化铋作为前驱物，先行配置其的水溶液，用于合成的BiOI具有无规则的块状结构相比，本发明中，直接在前驱物氧化铋微米棒中滴入KI和硝酸的混合溶液，即可获得具有棒状结构的BiOI产物，由于Bi2O3固体从外到内缓慢释放铋离子，BiOI只在该固体周围逐渐生成而不会向外无限制地生长，且BiOI所形成的最终结构会受到初始Bi2O3结构的限制，同时，分散的微米棒可以提供更多的比表面积，从而实现更快的催化反应。

其二，BiOI微米棒在后续加工应用中，相较于传统制法得到的BiOI来说，也具有更多的可能性，如在玻璃或聚合物载体上旋涂BiOI微米棒的悬浮液，可以更容易形成平整的薄膜。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为合成BiOI的路线的示意图(其中，路线A为现有技术路线的合成示意图，路线B为本发明中的合成方式的示意图)；

图2为现有技术中所得碘化氧铋产物的扫描电镜图；

图3为本发明中使用6mMKI-HNO3混合溶液所得的碘化氧铋产物的扫描电镜图；

图4为本发明中使用6mMKI-HNO3混合溶液所得的碘化氧铋产物的扫描电镜图及对应的元素分布图；

图5为本发明中使用6mMKI-HNO3混合溶液所得的碘化氧铋产物的紫外可见漫反射吸收光谱图；

图6为本发明中使用6mMKI-HNO3混合溶液所得的碘化氧铋产物的X射线衍射谱；

图7为本发明中使用2mMKI-HNO3混合溶液所得的碘化氧铋产物的扫描电镜图；

图8为本发明中使用4mMKI-HNO3混合溶液所得的碘化氧铋产物的扫描电镜图；

图9为本发明中使用8mMKI-HNO3混合溶液所得的碘化氧铋产物的扫描电镜图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

通常在此处附图中描述和显示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1至图9所示，本发明实施例提供了关于合成碘化氧铋方法的相关实验，本发明各实施例中所用的各种原材料，如无特殊说明，均未市售。

实施例1：

原材料：碘化钾(KI)固体粉末，浓硝酸(HNO3)溶液，氧化铋微米棒；

本实施例中的合成碘化氧铋的方法，包括以下步骤：

步骤一：配置前置溶液：称取12g碘化钾固体粉末，并将碘化钾固体粉末和95％浓度的浓硝酸配置为浓度为6mM的KI-HNO3混合溶液；

步骤二：将0.5g氧化铋投入2mL的浓度为6mM的KI-HNO3混合溶液，充分反应获得悬浮液；

步骤三：离心搅拌：所述悬浮液在磁力搅拌器上充分搅拌10min；

步骤四：干燥：所述悬浮液进行离心分离后，下层固体产物置于空气烘箱内进行干燥，烘干温度为60℃，充分烘干1h后即得到碘化氧铋成品。

(1)本实施例1得到的碘化氧铋的扫描电镜图，从图3中可以看出，BiOI呈现为分散的微米棒。

(2)本实施例1得到的碘化氧铋在不同倍率下的扫描电镜图，从图4可以看出，BiOI的各元素呈均匀分散状态。

(3)本实施例1得到的碘化氧铋产物的紫外可见漫反射吸收光谱，如图5所示，其X射线衍射谱则如图6所示，可见所得BiOI产物确为可见光响应的半导体，吸收边界为677nm，对应禁带宽度为1.83eV，可作为一种优良的半导体光催化剂。

实施例2：

原材料：碘化钾(KI)固体粉末，浓硝酸(HNO3)溶液，氧化铋微米棒；

本实施例中，通过改变KI-HNO3混合的浓度，进行碘化氧铋合成实验，包括以下步骤：

步骤一：配置前置溶液：称取12g碘化钾固体粉末，并将碘化钾固体粉末和95％浓度的浓硝酸配置为浓度为2mM的KI-HNO3混合溶液；

步骤二：将0.5g氧化铋投入2mL的浓度为2mM的KI-HNO3混合溶液，充分反应获得悬浮液；

步骤三：离心搅拌：所述悬浮液在磁力搅拌器上充分搅拌10min；

步骤四：干燥：所述悬浮液进行离心分离后，下层固体产物置于空气烘箱内进行干燥，烘干温度为60℃，充分烘干1h后即得到碘化氧铋成品.

本实施例2得到的碘化氧铋的扫描电镜图，从图7中可以看出，BiOI呈现为分散的微米棒，但Bi2O3微米棒释放的铋离子量较少，所得的碘化氧铋的纳米板的数目也较少。

实施例3：

原材料：碘化钾(KI)固体粉末，浓硝酸(HNO3)溶液，氧化铋微米棒；

本实施例中，再次通过改变KI-HNO3混合的浓度，进行碘化氧铋合成实验，包括以下步骤：

步骤一：配置前置溶液：称取12g碘化钾固体粉末，并将碘化钾固体粉末和95％浓度的浓硝酸配置为浓度为4mM的KI-HNO3混合溶液；

步骤二：将0.5g氧化铋投入2mL的浓度为4mM的KI-HNO3混合溶液，充分反应获得悬浮液；

步骤三：离心搅拌：所述悬浮液在磁力搅拌器上充分搅拌10min；

步骤四：干燥：所述悬浮液进行离心分离后，下层固体产物置于空气烘箱内进行干燥，烘干温度为60℃，充分烘干1h后即得到碘化氧铋成品.

本实施例3得到的碘化氧铋的扫描电镜图，从图8中可以看出，BiOI呈现为分散的微米棒，但Bi2O3微米棒释放的铋离子量较少，所得的碘化氧铋的纳米板的数目也较少，但相较于实施例2中的铋离子量和碘化氧铋的纳米板的数目有明显增加。

实施例4：

原材料：碘化钾(KI)固体粉末，浓硝酸(HNO3)溶液，氧化铋微米棒；

本实施例中，再次通过改变KI-HNO3混合的浓度，进行碘化氧铋合成实验，包括以下步骤：

步骤一：配置前置溶液：称取12g碘化钾固体粉末，并将碘化钾固体粉末和95％浓度的浓硝酸配置为浓度为8mM的KI-HNO3混合溶液；

步骤二：将0.5g氧化铋投入4mL的浓度为8mM的KI-HNO3混合溶液，充分反应获得悬浮液；

步骤三：离心搅拌：所述悬浮液在磁力搅拌器上充分搅拌10min；

步骤四：干燥：所述悬浮液进行离心分离后，下层固体产物置于空气烘箱内进行干燥，烘干温度为60℃，充分烘干1h后即得到碘化氧铋成品.

本实施例4得到的碘化氧铋的扫描电镜图，从图9中可以看出，BiOI呈现为分散的微米棒，但相较于实施例1-3中的BiOI产物，碘化氧铋纳米板开始堆积，使Bi2O3微米棒表面变得更加粗糙。

实施例5：

实施例1中提出的碘化氧铋的合成方法可以应用于到其它卤化氧铋，如氯化氧铋(BiOCl)，实验流程如下：

原材料：氯化钾(KCl)粉末，浓硝酸(HNO3)溶液，氧化铋微米棒；

氯化氧铋的合成方法，包括以下步骤：

步骤一：配置前置溶液：称取8g氯化钾固体粉末，并将氯化钾固体粉末和95％浓度的浓硝酸配置为浓度为6mM的KCl-HNO3混合溶液；

步骤二：将0.5g氧化铋投入2mL的浓度为6mM的KCl-HNO3混合溶液，充分反应获得悬浮液；

步骤三：离心搅拌：所述悬浮液在磁力搅拌器上充分搅拌10min；

步骤四：干燥：所述悬浮液进行离心分离后，下层固体产物置于空气烘箱内进行干燥，烘干温度为60℃，充分烘干1h后即得到氯化氧铋成品。

实施例6：

实施例1中提出的碘化氧铋的合成方法还可以应用于到其它卤化氧铋，如溴化氧铋(BiOBr)，实验流程如下：

原材料：溴化钾(KBr)粉末，浓硝酸(HNO3)溶液，氧化铋微米棒；

溴化氧铋的合成方法，包括以下步骤：

步骤一：配置前置溶液：称取10g溴化钾固体粉末，并将溴化钾固体粉末和95％浓度的浓硝酸配置为浓度为6mM的KBr-HNO3混合溶液；

步骤二：将0.5g氧化铋投入2mL的浓度为6mM的KBr-HNO3混合溶液，充分反应获得悬浮液；

步骤三：离心搅拌：所述悬浮液在磁力搅拌器上充分搅拌10min；

步骤四：干燥：所述悬浮液进行离心分离后，下层固体产物置于空气烘箱内进行干燥，烘干温度为60℃，充分烘干1h后即得到溴化氧铋成品。

实施例7：

实施例1制得的BiOI微米棒，可用于玻璃或聚合物载体上旋涂BiOI薄膜，包括如下步骤：

1、将0.15g所得BiOI微米棒产物加入到25mL的浓度为5mM的聚乙二醇或嵌段聚合物(如P123、F127)的水溶液中；

2、将干净玻璃片放置于BiOI悬浮液中浸润，再置于烘箱中，保持温度60℃以上20min，蒸干表面溶剂，从而获得BiOI微米棒薄膜；

2-1、也可取悬浮液滴在干净玻璃上，放置于旋涂机上旋涂从而获得BiOI微米棒薄膜。

其中，BiOI微米棒薄膜的厚度可通过控制BiOI微米棒悬浮液浓度、旋涂速率、玻璃片浸润或旋涂次数等参数控制。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。