本發(fā)明屬于光催化領(lǐng)域，具體涉及一種光催化薄膜材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著人類社會(huì)文明的發(fā)展，人類對(duì)原有自然界生態(tài)的影響越來越大，在過度開發(fā)利用自然資源時(shí)造就了一系列環(huán)境問題。其中水資源匱乏、水體污染在隨著全球社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展進(jìn)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(shù)，由于其具有高效、無選擇性、穩(wěn)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(yōu)點(diǎn)。

自1972年日本科學(xué)家Fujishima和Honda首次報(bào)道TiO₂在紫外光照下可以光解水產(chǎn)生氫氣和氧氣以來[1]，半導(dǎo)體光催化技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注。對(duì)于半導(dǎo)體材料來說，它們可以在光照條件下產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，部分電子、空穴可以遷移到半導(dǎo)體表面與水環(huán)境中的O₂、OH^-等反應(yīng)生成化學(xué)氧化活性很強(qiáng)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(yīng)物發(fā)生作用并將其氧化分解，達(dá)到光催化降解有機(jī)污染物的效果。

近年來，人們對(duì)開發(fā)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(yīng)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(qiáng)的內(nèi)建電場的存在[2]，顯著提高了電子-空穴對(duì)的分離效率，顯現(xiàn)出較高的催化活性而備受關(guān)注。

自2006年，Zhang等[3]用水熱法制備了BiOCl粉體材料首次開發(fā)出了鹵氧化物在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用后，BiOI因其較窄的禁帶寬度(約1.8eV)能被可見光激發(fā)并在可見光下顯現(xiàn)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(guān)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(xué)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(yè)運(yùn)用中，普遍存在回收困難、重復(fù)利用率差等缺點(diǎn)。所以實(shí)現(xiàn)光催化劑的固載化，提高材料與預(yù)處理水體的分離效率是光催化污水工業(yè)運(yùn)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(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)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(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實(shí)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(jié)構(gòu)的BiOI薄膜材料。

所述片狀結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)移至反應(yīng)釜(反應(yīng)釜內(nèi)襯為Teflon)中，然后將經(jīng)預(yù)處理的鐵基體材料浸沒于上述混合液中，100～200℃反應(yīng)為2～36h，即在鐵基體表面原位生長具有片狀結(jié)構(gòu)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(jìn)行磁力攪拌10～60min。

所述表面活性劑為PVP，其在反應(yīng)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(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明采用原位生長法在鐵基體表面制備了具有片狀結(jié)構(gòu)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(yù)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(shù)優(yōu)勢。這種片狀結(jié)構(gòu)的BiOI固化膜材料具有高效的光催化性能；具體：

(1)本發(fā)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(jié)構(gòu)的BiOI光催化薄膜材料在污水處理領(lǐng)域具有潛在的利用價(jià)值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所制備BiOI薄膜的X-射線衍射(XRD)圖譜(其中橫坐標(biāo)為2θ(角度)，單位為degree(度)；縱坐標(biāo)為Intensity(強(qiáng)度)，單位為a.u.(絕對(duì)單位)。

圖2為本發(fā)明所制備BiOI薄膜的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。

圖3為本發(fā)明所制備BiOI薄膜對(duì)羅丹明B(Rh-B)的循環(huán)降解實(shí)驗(yàn)，橫坐標(biāo)為Recycle number(循環(huán)降解次數(shù))，縱坐標(biāo)為Degradation efficiency(降解效率)單位為mg·m^-2·h^-1(毫克每平方米每小時(shí))。

具體實(shí)施方式

以下通過具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，有助于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更全面的理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。

本發(fā)明通過原位生長法在鐵基體表面制備了具有片狀結(jié)構(gòu)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(jié)合力較強(qiáng)，保證了薄膜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在可見光下表現(xiàn)出高效的光催化效應(yīng)，在水體凈化和海洋防污等領(lǐng)域具有很好的實(shí)用價(jià)值和潛在的應(yīng)用前景。同時(shí)該單體光催化劑薄膜材料還具有成膜均一、價(jià)格低廉和重復(fù)性好等特點(diǎn)。

實(shí)施例1具有片狀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)移至80mL的Teflon材質(zhì)的反應(yīng)釜內(nèi)村中。將事先預(yù)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(yīng)釜加熱至180度，反應(yīng)時(shí)間為24h。反應(yīng)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(xiàn)四方晶體結(jié)構(gòu)，且XRD譜圖中沒有發(fā)現(xiàn)其他的物質(zhì)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(jié)晶度較高。

實(shí)施例2具有片狀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)移至80mL的反應(yīng)釜中。將事先預(yù)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(yīng)釜加熱至120℃，反應(yīng)時(shí)間為36h。反應(yīng)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(shí)施例3所制備的片狀結(jié)構(gòu)的BiOI光催化薄膜對(duì)Rh-B的循環(huán)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(yù)配置好的濃度為10mg/L的Rh-B染料，置于光反應(yīng)儀中，所用光源為300W的氙燈，待每次光照1h后，測定并計(jì)算Rh-B的降解效率。隨后將鐵基體拿出，用蒸餾水清洗后進(jìn)行下一次的降解實(shí)驗(yàn)。為說明材料的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)共測試了材料對(duì)Rh-B的10次循環(huán)降解過程。(參見圖3)

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