專利名稱：鐵酸釔納米粉體的微波制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米材料和光催化劑技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是一種鐵酸釔納米粉體的微波制備方法。
背景技術(shù)：
鐵酸釔(YFeO3)為ABO3鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，屬于正交晶系，空間群是P_(D16/2h)。半徑小的!^3+處于6個(gè)面心02_堆成的八面體空隙中，半徑大的Y3+位于八個(gè)[Fe06]A面體的空隙內(nèi)。YFeOJf光和熱的穩(wěn)定性好。YFeOJt為一種穩(wěn)定的窄禁帶半導(dǎo)體( = 2.6 eV), 光譜吸收范圍較寬，是很有潛力的光催化材料。傳統(tǒng)的制備YFeO3的方法有溶膠_凝膠法、燃燒法、檸檬酸法、共沉淀法和微波協(xié)助法。但是上述方法中，基本上都是先制備得到前驅(qū)物，然后再高溫煅燒得到Y(jié)FeO3,而高溫煅燒導(dǎo)致YFeO3顆粒的團(tuán)聚和長(zhǎng)大，并且高溫煅燒會(huì)消耗更多的能量，存在生產(chǎn)工藝耗時(shí)較長(zhǎng)和成本高等缺點(diǎn)，工業(yè)化應(yīng)用前景堪憂。2007 年在外文期刊 Materials Science and Engineering B 上發(fā)表了一種以 Fe (NO3) 3和IO3為主要原料，通過微波協(xié)助法合成YFeO3的方法，但該方法必須通過800°C 煅燒才能得到純相的YFeO3,而且SEM電鏡分析表明其粒徑在200nm左右，光催化活性較低。 如何減小晶粒粒徑和提高其性能有待于進(jìn)一步研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種直接制備鐵酸釔納米粉體光催化劑的微波制備方法，以期獲得均勻性好、晶粒粒徑小和可見光催化活性高的鐵酸釔納米粉體。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的，具體步驟為
(1)納米粉體反應(yīng)液的制備
將反應(yīng)物A溶解于蒸餾水中制得0. 01 0. lmol/L的反應(yīng)液A，所述反應(yīng)物A選自含三價(jià)釔離子的可溶性無機(jī)鹽；將含三價(jià)鐵離子的反應(yīng)物B溶解于蒸餾水中制得與反應(yīng)液A相同濃度的反應(yīng)液B ；將聚乙烯醇溶解于蒸餾水中制得反應(yīng)液C ；將反應(yīng)液A和反應(yīng)液C混合冷至室溫，然后將反應(yīng)液B逐滴加入其中得到混合液，調(diào)節(jié)混合液的溫度至40 50°C，在該溫度條件下攪拌50 60min得到反應(yīng)液；
(2)微波條件下納米粉體的制備
將反應(yīng)液微波反應(yīng)0. 5 池，得到膠狀產(chǎn)物，將膠狀產(chǎn)物在95 110°C左右的溫度條件下真空干燥12 Mh，得到鐵酸釔納米粉體。本發(fā)明反應(yīng)液A的濃度限定在0. 01 0. lmol/L的范圍，若濃度低于0. 01mol/L, 要得到相同質(zhì)量的產(chǎn)品需要更大的溶液體系和更長(zhǎng)的微波時(shí)間，造成不必要的能耗浪費(fèi)。 若反應(yīng)液A的濃度大于0. lmol/L，需要聚乙烯醇的量將相應(yīng)增加，從而導(dǎo)致聚乙烯醇不能完全溶解，最后得到的產(chǎn)品團(tuán)聚增加，粒徑變大。聚乙烯醇是一種高分子化合物，在反應(yīng)過
3程中起到絡(luò)合分散離子的作用，能抑制產(chǎn)品粒徑的長(zhǎng)大。將A和C溶液混合后必須冷至室溫，以控制反應(yīng)的速度，使得到的產(chǎn)品粒徑更加均勻和較小，因?yàn)闇囟扔叻磻?yīng)愈快，容易導(dǎo)致晶粒的長(zhǎng)大。本發(fā)明在納米粉體反應(yīng)液A和C的混合溶液中逐滴加入反應(yīng)液B溶液，通過控制 B的含量有效調(diào)節(jié)反應(yīng)液中B的含量，保證B物質(zhì)的濃度在反應(yīng)液中以一定恒值，進(jìn)而控制反應(yīng)進(jìn)度，尤其是產(chǎn)物鐵酸釔納米晶體的形核速度和長(zhǎng)大速度，保證鐵酸釔晶粒的尺寸納米級(jí)和晶型的完整性，是本方法制得的鐵酸釔具有較高均勻性和粒徑小的一個(gè)原因。制備過程中要求保持溫度40 50°C，并保持該溫度50 60min，再微波反應(yīng) 0. 5 2h，實(shí)驗(yàn)證明該技術(shù)特征能夠促進(jìn)鐵酸釔納米晶體的成核生長(zhǎng)與擴(kuò)散，在較小的粒徑下使其發(fā)育完備，提高晶體的完整度。作為改進(jìn)，所述反應(yīng)液A的濃度為0. 7 0. 8mol/L。經(jīng)試驗(yàn)，將反應(yīng)物濃度控制在0. 7 0. 8mol/L，產(chǎn)品的得率較高。作為改進(jìn)，在混合液的溫度調(diào)節(jié)至40 50°C前，向混合液中加入尿素，加入尿素的物質(zhì)的量是反應(yīng)物A的物質(zhì)的量的1. 5 2倍。尿素起沉淀劑的作用，它在反應(yīng)的過程中緩慢水解，釋放出0H_從而營(yíng)造一個(gè)弱堿性環(huán)境，有利于鐵酸釔的沉淀。作為改進(jìn)，在真空干燥前，將所得膠狀產(chǎn)物用乙醇和蒸餾水配成的溶液洗滌。洗去膠狀產(chǎn)物中的雜質(zhì)，能抑制產(chǎn)品的團(tuán)聚，同時(shí)有利于真空干燥。作為改進(jìn)，微波反應(yīng)時(shí)的微波功率為500 530W。作為改進(jìn)，微波反應(yīng)時(shí)的微波功率為520W。適當(dāng)?shù)奈⒉üβ誓転榉磻?yīng)的持續(xù)進(jìn)行提供合適的焓變能量，500 530W的微波功率能與反應(yīng)液的溫度和反應(yīng)時(shí)間達(dá)到一個(gè)較為匹配的程度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果是
(1)通過微波反應(yīng)直接一步得到了均勻性好、粒徑小的鐵酸釔納米粉體，在光催化過程中能有效提高光生載流子的分離效率，提高了鐵酸釔的光催化性能。(2)通過微波反應(yīng)直接一步得到了鐵酸釔納米粒子，不需后期的高溫煅燒，節(jié)約了能耗，而且還有效克服了高溫煅燒過程通常易導(dǎo)致納米顆粒的團(tuán)聚和長(zhǎng)大等不足。(3)本發(fā)明采用微波法制備，達(dá)到了快速高效、可工業(yè)化生產(chǎn)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵酸釔納米粉體的目的。


圖1 實(shí)施例1所得鐵酸釔產(chǎn)品的XRD測(cè)試圖譜和YFeO3標(biāo)準(zhǔn)圖譜(JCPDS 73-1345)；
圖2 鐵酸釔產(chǎn)品的掃描透射電鏡照片； 圖3 鐵酸釔產(chǎn)品的漫反射吸收譜；
圖4 鐵酸釔產(chǎn)品與參比樣品P25光催化降解羅丹明B脫色率隨時(shí)間的變化曲線。
具體實(shí)施例方式本具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的解釋，其并不是對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀完本說明書后可以根據(jù)需要對(duì)本實(shí)施例做出有創(chuàng)造性貢獻(xiàn)的修改，但只要在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)都受到專利法的保護(hù)。實(shí)施例1
在室溫條件下，將0.07mol Y(NO3)3 · 6H20溶于50ml蒸餾水中得到含Y3+的溶液， 0. 07mol Fe (NO3) 3 · 9H20溶于50ml蒸餾水中得到含F(xiàn)e3+的溶液；再將0. 55g聚乙烯醇溶于 50ml 70°C的蒸餾水中；將50ml含Y3+的溶液與50ml聚乙烯醇溶液混合冷至室溫，然后在攪拌條件下，將50ml含!^3+的溶液逐滴加入到上述溶液中；然后將0. 14mol尿素加入到混合溶液中，攪拌使尿素溶解；將混合反應(yīng)液升溫至45°C，并保持該溫度攪拌60min。最后將反應(yīng)液放入微波爐中，調(diào)節(jié)微波爐的功率為520W，微波反應(yīng)Ih至其完全燃燒得到產(chǎn)物；將產(chǎn)物瑪瑙研缽研磨后，再分別用乙醇和蒸餾水配成的溶液洗滌4次；將洗滌后的產(chǎn)物在100°C 的溫度條件下真空干燥15h，得到納米粉體產(chǎn)品。對(duì)得到的產(chǎn)品分別進(jìn)行X射線衍射分析 (XRD)、掃描電鏡(SEM)和漫反射吸收譜(DRS)測(cè)試，結(jié)果如圖1、圖2和圖3所示。圖1是采用C-98型轉(zhuǎn)靶X射線衍射分析儀，粉末法分析測(cè)試產(chǎn)品的XRD圖。從圖 1可知，所得產(chǎn)品的XRD圖譜與標(biāo)準(zhǔn)YFeO3圖譜(JCPDS 73-1345)吻合，說明合成的產(chǎn)品是鐵酸釔。并且所得鐵酸釔產(chǎn)品的特征三強(qiáng)峰尖銳，晶型完整。圖2是采用日立S-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡測(cè)試產(chǎn)品的SEM照片。從圖2 可知，YFeO3產(chǎn)品以扁橢圓狀顆粒存在為主，平均粒徑在60 nm左右，雖略有團(tuán)聚，但總體上均勻性好。圖3是采用帶積分球的Hitachi UV4100型紫外-可見光譜儀，以標(biāo)準(zhǔn)的BaSO4作參比，將YFeO3粉末壓片，然后進(jìn)行測(cè)試得到漫反射譜，并通過Kubelka-Mimk方程轉(zhuǎn)換為漫反射吸收譜。從圖3可知，YFeO3的吸收邊波長(zhǎng)λ約為518 nm。根據(jù)Kubelka - Munk理論， 利用公式E (eV) =IMO/λ計(jì)算得到Y(jié)FeO3W帶隙寬度約為2. 39eV。根據(jù)能帶理論和半導(dǎo)體光催化的原理，即當(dāng)受到波長(zhǎng)小于等于518 nm的光照射時(shí)，YFeO3價(jià)帶電子將被激發(fā)，產(chǎn)生具有高活性的光生空穴-電子對(duì)，為其具有可見光催化奠定了基礎(chǔ)。為了驗(yàn)證鐵酸釔納米粉末的光催化活性，光催化實(shí)驗(yàn)在自制的光催化反應(yīng)裝置中進(jìn)行光源為150 W金屬鹵化物燈，利用JB400濾光片獲得波長(zhǎng)大于400 nm的可見光；將20 mg鐵酸釔納米粉末加入到IOml 10 mg/L的模擬污水羅丹明B (MiB)溶液中避光吸附平衡 30 min后，進(jìn)行光催化降解實(shí)驗(yàn)；降解所需時(shí)間后取出離心分離去除粉末，以IihB溶液最大吸收峰554 nm處吸光度的標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算其脫色率，用公認(rèn)的商品P25 二氧化鈦?zhàn)鲗?duì)比光催化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從圖4可知，鐵酸釔對(duì)IihB溶液降解脫色率30 min前迅速增加，60 min時(shí)已經(jīng)達(dá)到約95%，90 min時(shí)已經(jīng)基本完全降解，鐵酸釔產(chǎn)品表現(xiàn)出了較高的催化活性。而參比P25對(duì)IihB溶液的降解脫色率從5 min 120 min雖然在緩慢增加，但 120 min時(shí)才達(dá)到約25%，這表明鐵酸釔產(chǎn)品的可見光催化活性遠(yuǎn)優(yōu)于P25。實(shí)施例2
在室溫條件下，將0.08mol Y(NO3)3 · 6H20溶于50ml蒸餾水中得到含Y3+的溶液， 0. 08mol Fe (NO3) 3 · 9H20溶于50ml蒸餾水中得到含F(xiàn)e3+的溶液；再將0. 60g聚乙烯醇溶于 50ml 70°C的蒸餾水中；將50ml含Y3+的溶液與50ml聚乙烯醇溶液混合冷至室溫，然后在攪拌條件下，將50ml含!^3+的溶液逐滴加入到上述溶液中；然后將0. 12mol尿素加入到混合溶液中，攪拌使尿素溶解；將混合反應(yīng)液升溫至50°C，并保持該溫度攪拌50min。最后將反應(yīng)液放入微波爐中，調(diào)節(jié)微波爐的功率為500W，微波反應(yīng)池至其完全燃燒得到產(chǎn)物；將產(chǎn)物瑪瑙研缽研磨后，用乙醇蒸餾水配成的溶液洗滌4次；將洗滌后的產(chǎn)物在95°C的溫度條件下真空干燥Mh，得到納米粉體產(chǎn)品。按照實(shí)施例1相同的光催化實(shí)驗(yàn)方法，可見光催化降解10 mg/L的羅丹明B溶液60 min時(shí)，其脫色率達(dá)到約92%，鐵酸釔產(chǎn)品表現(xiàn)出較高的光催化活性。實(shí)施例3
在室溫條件下，將0. Olmol Y(NO3)3 · 6H20溶于50ml蒸餾水中得到含Y3+的溶液， 0. Olmol Fe (NO3) 3 · 9H20溶于50ml蒸餾水中得到含F(xiàn)e3+的溶液；再將0. 45g聚乙烯醇溶于 50ml 70°C的蒸餾水中；將50ml含Y3+的溶液與50ml聚乙烯醇溶液混合冷至室溫，然后在攪拌條件下，將50ml含!^3+的溶液逐滴加入到上述溶液中；然后將0. 02mol尿素加入到混合溶液中，攪拌使尿素溶解；將混合反應(yīng)液升溫至40°C，并保持該溫度攪拌50min。最后將反應(yīng)液放入微波爐中，調(diào)節(jié)微波爐的功率為500W，微波反應(yīng)0. 5h至其完全燃燒得到產(chǎn)物；將產(chǎn)物瑪瑙研缽研磨后，用乙醇和蒸餾水配成的溶液洗滌4次；將洗滌后的產(chǎn)物在100°C的溫度條件下真空干燥12h，得到納米粉體產(chǎn)品。按照實(shí)施例1相同的光催化實(shí)驗(yàn)方法，可見光催化降解10 mg/L的羅丹明B溶液60 min時(shí)，其脫色率達(dá)到約94%，鐵酸釔產(chǎn)品表現(xiàn)出較高的光催化活性。實(shí)施例4
在室溫條件下，將0. Imol Υ(Ν03)3·6Η20溶于80ml蒸餾水中得到含Y3+的溶液，0. Imol Fe (NO3) 3 ·9Η20溶于80ml蒸餾水中得到含!^e3+的溶液；再將1. Ig聚乙烯醇溶于80ml 70°C 的蒸餾水中；將80ml含Y3+的溶液與80ml聚乙烯醇溶液混合冷至室溫，然后在攪拌條件下， 將80ml含!^3+的溶液逐滴加入到上述溶液中；然后將0. ISmol尿素加入到混合溶液中，攪拌使尿素溶解；將混合反應(yīng)液升溫至50°C，并保持該溫度攪拌60min。最后將反應(yīng)液放入微波爐中，調(diào)節(jié)微波爐的功率為520W，微波反應(yīng)1. 5h至其完全燃燒得到產(chǎn)物；將產(chǎn)物瑪瑙研缽研磨后，用乙醇和蒸餾水配成的溶液洗滌4次；將洗滌后的產(chǎn)物在110°C的溫度條件下真空干燥15h，得到納米粉體產(chǎn)品。按照實(shí)施例1相同的光催化實(shí)驗(yàn)方法，可見光催化降解10 mg/L的羅丹明B溶液60 min時(shí)，其脫色率達(dá)到約95%，鐵酸釔產(chǎn)品表現(xiàn)出較高的光催化活性。
權(quán)利要求
1.一種鐵酸釔納米粉體的微波制備方法，其特征在于包括以下步驟，(1)納米粉體反應(yīng)液的制備將反應(yīng)物A溶解于蒸餾水中制得0. 01 0. lmol/L的反應(yīng)液A，所述反應(yīng)物A選自含三價(jià)釔離子的可溶性無機(jī)鹽；將含三價(jià)鐵離子的反應(yīng)物B溶解于蒸餾水中制得與反應(yīng)液A相同濃度的反應(yīng)液B ；將聚乙烯醇溶解于蒸餾水中制得反應(yīng)液C ；將反應(yīng)液A和反應(yīng)液C混合冷至室溫，然后將反應(yīng)液B逐滴加入其中得到混合液，調(diào)節(jié)混合液的溫度至40 50°C，在該溫度條件下攪拌50 60min得到反應(yīng)液；(2)微波條件下納米粉體的制備將反應(yīng)液微波反應(yīng)0. 5 池，得到膠狀產(chǎn)物，將膠狀產(chǎn)物在95 110°C左右的溫度條件下真空干燥12 Mh，得到鐵酸釔納米粉體。
2.如權(quán)利要求1所述的一種鐵酸釔納米粉體的微波制備方法，其特征在于所述反應(yīng)液A的濃度為0. 7 0. 8mol/L。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種鐵酸釔納米粉體的微波制備方法，其特征在于在混合液的溫度調(diào)節(jié)至40 50°C前，向混合液中加入尿素，加入尿素的物質(zhì)的量是反應(yīng)物A的物質(zhì)的量的1.5 2倍。
4.如權(quán)利要求1所述的一種鐵酸釔納米粉體的微波制備方法，其特征在于在真空干燥前，將所得膠狀產(chǎn)物用乙醇和蒸餾水配成的溶液洗滌。
5.如權(quán)利要求1所述的一種鐵酸釔納米粉體的微波制備方法，其特征在于微波反應(yīng)時(shí)的微波功率為500 530W。
6.如權(quán)利要求5所述的一種鐵酸釔納米粉體的微波制備方法，其特征在于微波反應(yīng)時(shí)的微波功率為520W。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鐵酸釔納米粉體的微波制備方法。步驟為(1)納米粉體反應(yīng)液的制備，將含釔離子的反應(yīng)物A溶解于蒸餾水中制得0.01～0.1mol/L的反應(yīng)液A，將聚乙烯醇溶解于蒸餾水中制得反應(yīng)液C，將反應(yīng)液A和反應(yīng)液C混合冷至室溫，然后將與反應(yīng)液A同濃度的含三價(jià)鐵離子的反應(yīng)液B逐滴加入其中得到混合液，調(diào)節(jié)混合液的溫度至40～50℃，攪拌50～60min得到反應(yīng)液；(2)微波條件下納米粉體的制備，將反應(yīng)液微波反應(yīng)0.5～2h，得到膠狀產(chǎn)物，將膠狀產(chǎn)物在95～110℃左右的溫度條件下真空干燥12～24h，得到鐵酸釔納米粉體。該方法能制得均勻性好、晶粒粒徑小和可見光催化活性高的鐵酸釔納米粉體。
文檔編號(hào)A62D3/10GK102173459SQ20111003144
公開日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2011年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月28日
發(fā)明者唐培松, 曹楓, 潘國(guó)祥, 陳海鋒 申請(qǐng)人:湖州師范學(xué)院