本發明屬于無機光催化材料技術領域，具體來說是一種釩酸鐵光催化劑的制備方法。
背景技術：
近些年，一類具有ABO4的白鎢礦/黑鎢礦型結構的新型可見光光響應的釩酸鹽材料被廣泛應用于光催化領域。釩酸鹽因其與眾不同的分子結構和化學物理特性而在發光、壓電和鐵電領域有著廣泛的應用前景而被認為是提高光催化應用的一大途徑。
FeVO4作為釩酸鹽光催化劑材料家族中的新興成員，研究者對于其光催化性能的相關研究還處于起始階段。自FeVO4被Idota首先報道可作為一種有前途的鋰離子充電電池的電極材料以來，研究者發現其作為鋰離子充電電池的電極材料，比石墨電極具有更高的比容量，因而吸引了科研者的極大關注。近年來，又發現FeVO4具有氧化碳氫化合物的催化能力。作為一種典型的n型半導體，FeVO4為黃色的固體粉末。具有四種晶型結構：三斜型、正交Ⅰ型、正交Ⅱ型和單斜型，其中僅三斜型在常壓下可以制得。三斜型的FeVO4具有特殊的鏈結構。
三價鐵離子占據三種獨立的結點位置，其中兩個在扭曲的FeO6八面體中，一個在扭曲的FeO5三角雙錐中。Fe-O多面體通過共棱形成了一個獨特的六倍體積的雙彎曲鏈，與VO4四面體相結合，形成了FeVO4三維層狀網絡結構。這種層狀的結構具有一定的層隙空間，可以作為光反應的活化區域，有利于光催化反應的進行。結構中的夾層有可能成為與光生電子結合的受體，從而有效地減少了電子和空穴的復合，最終提高反應的光量子效率。
主要制備方法有高溫固相反應法、傳統水熱法和液相法。高溫固相法方法簡單，但需高溫反應能耗大；反應均勻程度差，生成的樣品粗大、易有雜質。熱法是制備粉體材料的一種傳統方法，但高溫高壓的反應條件較為苛刻且具有反應時間長等缺點。液相回流方法簡單，但反應時間過長，且反應步驟較多，需要嚴格控制反應條件，否則易有雜質相生成。基于上述研究可知，開發一種環境友好的快速合成三斜型FeVO4光催化材料的工藝是十分必要的。
公開號為“CN 104357875A”，名稱為“一種利用陽離子膜電解法制備鉬酸鐵的方法”的中國專利公開一種利用陽離子膜電解法制備鉬酸鐵的方法，即以鐵片為陽極，以惰性電極為陰極，以含有去極化劑和鉬酸鈉的水溶液為陽極液，以酸溶液、堿溶液或鹽溶液為陰極液；在以陽離子膜為隔膜的雙室電解槽中，采用恒流電解或恒壓電解的方式控制溫度為室溫至90℃進行電解含有去極化劑和鉬酸鈉的水溶液，直至Na+離子全部轉移到陰極室；將在陽極室得到的產物用去離子水邊清洗邊過濾，得到的濾餅控制溫度為100-200℃干燥1-2h，即得純度高、無雜相的鉬酸鐵。
技術實現要素：
為了解決現有技術中的釩酸鐵制備過程中反應時間長，添加劑多和操作復雜、產物雜質多，不易分離提純等技術問題，本發明的目的在于提供一種反應時間短的釩酸鐵光催化劑的制備方法，該方法易分離，形貌可控，操作簡單，易于工業化生產。
本發明的技術方案具體介紹如下。
本發明提供一種釩酸鐵光催化劑的制備方法，具體步驟如下：
(1)以純鐵片為陽極，以惰性電極為陰極，以偏釩酸鈉和氯化鈉水溶液為陽極液，以鹽酸溶液或氯化鈉溶液為陰極液，在陽離子膜為隔膜的雙室電解槽中，采用恒流電解的方式，通過控制電流密度、電解液濃度和溫度制備出不同結構和粒徑大小的釩酸鐵前驅體；
(2)電解結束后，收集陽極上得到的產物，清洗、過濾、干燥，自然冷卻至室溫，再在空氣氛圍下熱處理，即得純度高、潔凈度高的釩酸鐵光催化劑。
本發明中，步驟(1)中，偏釩酸鈉濃度為0.1mol/L-0.3mol/L，氯化鈉濃度為1-1.5mol/L。
本發明中，步驟(1)中，所述陰極液的濃度為0.1mol/L-0.3mol/L。
本發明中，步驟(1)中，利用恒溫水浴控制電解的溫度為20-70℃。
本發明中，步驟(1)中，控制陽極電流密度為10-50mA/cm2。
本發明中，步驟(2)中，干燥溫度為80-100℃，干燥時間為4-6h。
本發明中，步驟(2)中，熱處理程序如下：空氣氛圍下以2.5-10℃/min的升溫速率升溫至500-700℃，高溫焙燒3-5h。
本發明中，上述制備方法得到的釩酸鐵的形貌結構為微納米球狀顆粒和微納米線結構。
和現有技術相比，本發明的有益效果在于：
本發明的一種釩酸鐵光催化劑的制備方法，其采用陽離子膜電解法制備，通過控制電流密度、電解液濃度和溫度制備出不同結構和粒徑大小的釩酸鐵(電流密度增加，電解液濃度提高時，產物的結構從微納米球狀顆粒向微納米線結構轉變)。制備過程簡單且易于操作，陽極電解液成分單一、無其他添加劑，產物無雜相，易于工業化生產；，另一方面，產物為微納米級別的固體粉末，靜置即可沉淀下來，易于水洗與分離。因此本發明的制備方法具有最終所得的釩酸鐵產物純度高，無雜相的特點，將產物進行高溫煅燒后可得釩酸鐵，可用作光催化劑降解有機污染物。
進一步，本發明的一種釩酸鐵光催化劑的制備方法，由于僅需一步電解即可制備出釩酸鐵，因此其制備過程工藝簡單，容易操作，投資小，合成量大，可直接應用于工業化生產。
附圖說明
圖1、實施例1中得到的釩酸鐵的SEM圖。
圖2、實施例2中得到的釩酸鐵的SEM圖。
圖3、實施例3中得到的釩酸鐵的SEM圖。
圖4、實施例中所得到的釩酸鐵的XRD圖。
圖5、釩酸鐵對苯酚(25mg/L/l)的紫外光催化降解曲線。
具體實施方式
下面通過具體實施例并結合附圖對本發明進一步闡述，但并不限制本發明。
實施例1
一種光催化劑釩酸鐵的制備方法，具體包括如下步驟：
(1)、以純鐵片為陽極，以玻碳電極為陰極，以0.1mol/L偏釩酸鈉和1mol/L氯化鈉的水溶液、為陽極液，以0.1mol/L鹽酸溶液為陰極液，在陽離子膜為隔膜的雙室電解槽中，控制在溫度為70℃的條件下進行恒流電解，電流密度為10mA/cm2；
(2)、電解完后，將在陽極上得到的產物用去離子水邊清洗邊過濾，并且將過濾后的濾餅控制溫度為80℃干燥4h，干燥完畢后自然冷卻至室溫，干燥完畢后在空氣氛圍下以2.5℃/min的升溫速率升溫至500℃進行高溫焙燒1-5h，焙燒完后自然冷卻至室溫，即得純凈的釩酸鐵。
采用日立S-3400N型掃描電子顯微鏡對上述所得的釩酸鐵進行形貌表征，其SEM圖如圖1所示，從圖1中可以看出，所制備的產物形貌為球形顆粒結構，粒徑大小為200nm。
實施例2
一種釩酸鐵光催化劑的制備方法，具體步驟如下：
(1)、以純鐵片為陽極，以玻碳電極為陰極，以0.2mol/L偏釩酸鈉和1mol/L氯化鈉的水溶液為陽極液，以0.2mol/L氯化鈉溶液為陰極液，在陽離子膜為隔膜的雙室電解槽中，控制在溫度為50℃的條件下進行恒流電解，電流密度為30mA/cm2；
(2)、電解完后，將在陽極上得到的產物用去離子水邊清洗邊過濾，并且將過濾后的濾餅控制溫度為80℃干燥4h，干燥完畢后自然冷卻至室溫，干燥完畢后在空氣氛圍下以5℃/min的升溫速率升溫至600℃進行高溫焙燒3h，焙燒完后自然冷卻至室溫，即得純凈的釩酸鐵。
采用日立S-3400N型掃描電子顯微鏡對上述所得的釩酸鐵進行形貌表征，其SEM圖如圖2所示，從圖2中可以看出，所制備的產物形貌均直徑約為500nm微納米線結構。
實施例3
一種光催化劑釩酸鐵的制備方法，具體步驟如下：
(1)、以純鐵片為陽極，以玻碳電極為陰極，以0.3mol/L偏釩酸鈉和1mol/L氯化鈉的水溶液為陽極液，以0.3mol/L鹽酸溶液為陰極液，在陽離子膜為隔膜的雙室電解槽中，控制在溫度為20℃的條件下進行恒流電解，電流密度為50mA/cm2；
(2)、電解完后，將在陽極上得到的產物用去離子水邊清洗邊過濾，并且將過濾后的濾餅控制溫度為80℃干燥4h，干燥完畢后自然冷卻至室溫，干燥完畢后在空氣氛圍下以5℃/min的升溫速率升溫至700℃進行高溫焙燒2h，焙燒完后自然冷卻至室溫，即得純凈的釩酸鐵。
采用日立S-3400N型掃描電子顯微鏡對上述所得的釩酸鐵進行形貌表征，其SEM圖如圖3所示，從圖3中可以看出，所制備的產物同時存在微納米球狀顆粒和微納米棒狀結構。經X射線衍射表征為FeVO4。
圖5是實施例得到的釩酸鐵對苯酚(25mg/L/l)的紫外光催化降解曲線，結果顯示，釩酸鐵有很好的光催化性能。
采用德國布魯克AXS公司的D8Advance型X-射線衍射儀對上述所得的釩酸鐵進行測定，其XRD圖如圖4所示，從圖4中可以看出，得到的產物為FeVO4，對應的標準PDF卡片為38-1732。
綜上所述，從綜上所述，本發明的一種釩酸鐵光催化劑的制備方法，通過控制電解液濃度、溫度和電流密度；可以得到不同結構和粒徑大小的釩酸鐵，易于控制且可應用于降解苯酚。