[0004] 为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，结果发现：通常应用于制作压电陶瓷材料的Bi0.5Na0.5TiO3在紫外或可见光存在的条件下可催化污染物分解，尤其可以催化染料废水中污染物的分解，因此本发明人将其与污水，尤其是染料污水混合，在紫外或可见照射的环境下进行光催化反应，实现了光催化降解污水，特别是染料污水，从而完成本发明。
[0005] 本发明的目的在于提供以下方面：
[0006] 第一方面，Bi0.5Na0.5TiO3在光催化中的应用，尤其在污水处理中的应用，其特征在于，将Bi0.5Na0.5TiO3与污水，尤其是染料污水按照重量比1:（10～1000）进行混合，在波长范围为 200～800nm的光照射的环境下进行光催化反应。
[0007] 第二方面，一种光催化剂Bi0.5Na0.5TiO3的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0008] （1）将Ti(OC4H9)4与Bi(NO3)3·5H2O按照体积重量比为（2～5）mL:（1～5）g进行混合，并溶解于水中，在室温条件下搅拌，得到钛铋混合液；
[0009] （2）向上述钛铋混合液中加入NaOH溶液，使Na+与Ti4+的摩尔比为（3～30）:1，在室温条件下继续搅拌，得到混合溶液；
[0010] （3）将步骤2得到的混合溶液转移至聚四氟乙烯内衬的反应釜，在150～180℃条件下反应，然后转移出反应釜，冷却至室温，得到样品悬浊液；
[0011] （4）将步骤3得到的样品悬浊液过滤分离，并洗涤至中性，得到样品固体；
[0012] （5）将步骤4得到的样品固体烘干，然后冷却至室温，研磨至粒径为200～900nm。
[0013] 以下具体说明本发明：
[0014] 根据本发明的第一方面，提供Bi0.5Na0.5TiO3在光催化中的应用，尤其在污水处理中的应用。
[0015] 光催化剂是利用价带电子吸收外界光带来的能量后被激发生成光生电子和空穴，该光生电子跃过禁带，迁移到光催化剂表面与被吸附在光催化剂表面的有机污染物或水分子进行氧化还原反应，从而将有机污染物被降解、脱色、去毒或矿化为二氧化碳、水和无机小分子等物质，此即为光催化原理。
[0016] 由光催化原理可知，光催化剂的禁带宽度越小，其价带电子越容易被激发，跃迁至光催化剂表面，从而起到光催化的作用。
[0017] 目前，应用较为广泛的光催化剂有氧化物催化剂，如TiO2光催化剂、Bi2O3光催化剂，纳米半导体基复合材料和Z型系统（即，多步催化达到光催化效果）等，但上述催化剂均存在各自的问题。如TiO2光催化剂，其禁带宽度较宽（Eg=3.2eV），价电子不易被太阳光激发生成光生电子和空穴，因此其对太阳光的吸收利用有限，从而限制了TiO2的广泛应用，为拓展TiO2对太阳光的吸收利用，已经对TiO2进行了大量的改性研究，如表面敏化、半导体复合、金属离子掺杂、非金属掺杂等，但改性后的TiO2光催化剂在可见光下的催化活性仍不能达到理想效果。
[0018] 再如铋系半导体光催化剂，尤其是粒径较大的Bi2O3光催化剂，其产生的光生电子-空穴容易再结合，而且，光生载流子迁移到催化剂表面的时间较长，还未到达催化剂表面就会因为复合而失去光催化作用，因此限制了Bi2O3的大规模应用。
[0019] 复合型光催化剂，常以混合物的形式存在，其中的两种或多种物质的分子间以范德华力相互作用，而光生电子及空穴的能量不足以在分子间跨越，因此，多种起光催化作用的元素间协同作用效果不明显。
[0020] 目前，对钛酸铋系化合物在光催化领域的应用有所研究，而如期刊文献《化学学报》（2005年第63卷第1期，5～10）中所述，该类化合物的光催化效果随具体化合物的结构不同而有显著差异。
[0021] 本发明提供的光催化剂Bi0.5Na0.5TiO3，迄今在无铅压电陶瓷材料中有广泛的应用，而其作为光催化剂在光催化领域的应用则鲜有报道。
[0022] 本发明研究发现，用能量大于或等于其导体禁带宽度的光照射Bi0.5Na0.5TiO3+光催化剂，处于价带上的电子就会被激发到 导带上，在价带上产生空穴（h），从而在Bi0.5Na0.5TiO3光催化剂表面产生具有高度活性的电子-空穴对，该电子-空穴对是光催化-
反应的活性中心，具有很强的氧化能力，可以将吸附于Bi0.5Na0.5TiO3光催化剂表面的OH 和H2O进行氧化，产生具有强氧化性的·OH自由基。
[0023] ·OH自由基有402.8MJ/mol反应能，通过与污染物之间的羟基加合、取代、电子转移等可以对污染物中的C-C、C-H、C-O和N-H键进行破坏，具有高效分解污染物的能力，使污染物全部或接近全部矿化，最终将污染物降解为二氧化碳、水等无害物质，同时，空穴本身也可将吸附于Bi0.5Na0.5TiO3光催化剂表面的有机物直接氧化分解，此外，Bi0.5Na0.5TiO3光催化剂表面产生的高活性电子具有很强的还原能力，当溶液中有O2存在时，光生电子会与O2- - +作用生成·O2，·O2再与H 作用生成HO2·，最终生成·OH自由基，氧化降解有机物。
[0024] 由本发明实验例4和实验例5可知，加入清除剂后，Bi0.5Na0.5TiO3光催化剂的光催化活性明显降低，其原因是清除剂可大量消耗光催化体系中的·OH自由基，这也证明了本发明Bi0.5Na0.5TiO3光催化体系中产生了·OH自由基。
[0025] 不受任何理论的束缚，认为本发明制备的Bi0.5Na0.5TiO3光催化剂的光催化原理如下：
[0026] Bi0.5Na0.5TiO3光催化剂+hν→h++e-
[0027] h++OH-→·OH
[0028] h++H2O→·OH+H+
[0029] e-+O2→·O2-
[0030] ·O2-+H+→HO2·
[0031] 2HO2·→O2+H2O2
[0032] H2O2+·O2-→·OH+OH-+O2。
[0033] 因此，根据本发明，将光催化剂Bi0.5Na0.5TiO3与污水，尤其是染料污水按照重量比1:（10～1000）进行混合，在波长范围为200～800nm的光照射的环境下进行光催化反应，即可实现对污水，尤其是染料污水的光催化分解，并具有良好的光催化效果（具体参见实验例1～6）。
[0034] 当光催化剂Bi0.5Na0.5TiO3与污水的重量比小于1:1000时，光催化剂用量过小，对污水中污染物的降解速率低，光催化效率低；当光催化剂与污水的重量比大于1:10时，光催化的速率不显著提升，继续增加光催化剂的用量则会造成浪费。
[0035] 根据本发明优选的实施方式，将Bi0.5Na0.5TiO3与污水，尤其是染料污水按照重量比1:（50～800），优选1:（100～500）进行混合。
[0036] 由于Bi0.5Na0.5TiO3需要外界光激发其产生光生电子和空穴，因此在光催化反应过程中需要提供波长范围在200～800nm紫外光或可见光。
[0037] 根据本发明，光催化反应时间可以为10min～10h，优选30min～8h，更优选1h～5h。
[0038] 本发明以亚甲基蓝为光催化反应的模型化合物，用对苯二甲酸作为探针分子对Bi0.5Na0.5TiO3光催化剂的紫外及可见光催化活性进行测定。
[0039] 以亚甲基蓝作为模型化合物是由于亚甲基蓝化学性质稳定，在紫外光的作用下不会分解，实验时可以避免扣除空白，减小误差，提高实验的效率；而且，亚甲基蓝可以通过吸光度和浓度曲线，直接计算出分解率，计算简便可靠；此外，亚甲基蓝实验较为成熟，认可度高，结果容易被接受。
[0040] 本发明以对苯二甲酸作为探针分子对光催化剂的荧光性能进行测定，这是由于对苯二甲酸易与Bi0.5Na0.5TiO3光催化剂表 面形成的羟基自由基发生反应生成可发射的荧光产物2-羟基对苯二甲酸，结合荧光技术来分析反应中生成的羟基自由基。而在催化过程中Bi0.5Na0.5TiO3光催化剂经光激发后，产生的电子与空穴通过氧化还原反应会释放出·OH等活性氧化物，随后羟基自由基攻击吸附在光催化剂表面的亚甲基蓝分子。
[0041] 本发明另一方面是提供光催化剂Bi0.5Na0.5TiO3的制备方法，包括以下步骤：
[0042] 步骤1、将Ti(OC4H9)4与Bi(NO3)3·5H2O按照Ti(OC4H9)4的体积与Bi(NO3)3·5H2O的重量比为（2～5）mL:（1～5）g进行混合，并溶解于水中，在室温条件下搅拌，得到钛铋混合液。
[0043] 根据本发明，为使Ti(OC4H9)4与Bi(NO3)3·5H2O能充分反应，使其中一种反应物过量，而产物中Ti与Bi的化学计量比为1:1，又由于Ti(OC4H9)4的密度为0.996g/mL，摩尔质量为340g/mol，Bi(NO3)3·5H2O的摩尔质量为485g/L，因此选择Ti(OC4H9)4的体积与Bi(NO3)3·5H2O的重量比为（2～5）mL:（1～5）g进行混合。
[0044] 根据本发明优选的实施方式，为使两者混合更为均匀充分，将两者的混合物溶解于水中，在室温下搅拌1～10小时，当搅拌时间小于1小时时，搅拌时间过短，混合不充分，不均匀，当反应时间达到10小时时，两底物混合充分均匀，继续增加搅拌时间，则会增加时间成本。优选搅拌时间为2～8小时，更优选为3～5小时。
[0045] 步骤2、向上述钛铋混合液中加入NaOH溶液，使Na+与Ti4+的摩尔比为（3～30）:1，在室温条件下继续搅拌，使NaOH与步骤1中制得的钛铋混合液混合均匀，得到混合溶液。
[0046] 根据本发明，选择Na+与Ti4+的摩尔比为（3～30）:1，是为了使溶液呈碱性，并提+ -1 -1供Na。优选使用浓度为（1～20）mol·L ，更优选（2～10）mol·L 的NaOH溶液。优选搅拌时间为1～10小 时，更优选1～5小时，优选2～3小时。
[0047] 步骤3、将步骤2得到的混合溶液转移至聚四氟乙烯内衬的反应釜，在150～180℃条件下反应，然后转移出反应釜，冷却至室温，得到样品悬浊液。
[0048] 根据本发明，反应釜内衬聚四氟乙烯是为了防止在高温高压条件下反应釜中的杂离子引入反应体系而污染产物。
[0049] 根据本发明，上述混合溶液在150～180℃条件下反应5～30小时，优选10～20小时。当反应温度低于150℃时，钛、铋和钠三种元素不能按照所需计量比进行化合，当反应温度高于180℃时，会造成能源的浪费。优选反应温度为155～175℃，更优选160～170℃。
[0050] 步骤4、将步骤3得到的样品悬浊液过滤分离，并洗涤至中性，得到样品固体。
[0051] 根据本发明，可以用水、无水乙醇或乙醇水溶液洗涤，目的是除去残余的杂质，直至洗涤液达到中性，优选pH=6～8，更优选7，从而得到样品固体。
[0052] 步骤5、将步骤4得到的样品固体烘干，然后冷却至室温，研磨至粒径为200～900nm。
[0053] 根据本发明，在50～100℃条件下进行烘干，烘干时间为1～5小时。冷却后研磨的粒径可达到200～900nm，优选230～870nm，更优选250～850nm。
[0054] 本发明还要求保护根据以上制备方法获得的光催化剂Bi0.5Na0.5TiO3，其粒径可达到200～900nm，优选230～870nm，更优选250～850nm，根据XRD分析可知，其在衍射角2θ为22.36°、31.82°、39.81°、46.92°、57.33°、67.81°处出现较强的衍射峰，这些峰的位置对应于（110）、（101）、（012）、（220）、（003）、（202）的晶面特征衍射峰，并且在XRD可分辨范围内并无其 它杂质存在。
[0055] 综合而言，本发明提供的制备方法以及由此获得的Bi0.5Na0.5TiO3及其在光催化中的应用体现出以下几方面的有益效果：
[0056] 1、Bi0.5Na0.5TiO3的光催化活性高，能在可见光及紫外光条件下对水中的污染物，特别是染料污水进行光催化水解；
[0057] 2、Bi0.5Na0.5TiO3在污水中的光催化作用，可充分利用太阳能，经济、环保、社会效益高；
[0058] 3、开发了Bi0.5Na0.5TiO3在光催化方面的新用途；
[0059] 4、Bi0.5Na0.5TiO3在污水中可持续对污染物进行催化，催化效率高；
[0060] 5、Bi0.5Na0.5TiO3在污水中的能够保持良好的形态，不溶于水，而其光催化效果是由于其结构可激发产生羟基自由基，而不是消耗其本身，因此可实现长效催化的效果。
