專利名稱：鈦酸鹽光催化劑Sr_4-xCa_xTi₃O₁₀及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可見光響應(yīng)的鈦酸鹽光催化劑SivxCaxTi3Oltl及其制備方法，屬于無機(jī)光催化材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對于能源和生態(tài)環(huán)境越來越關(guān)注，解決能源短缺和環(huán)境污染問題是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、提高人民生活質(zhì)量和保障國家安全的迫切需要。
1972年Fujishima發(fā)現(xiàn)了 TiO2半導(dǎo)體電極在紫外光照射下具有光解水的作用，由此引發(fā)了半導(dǎo)體光催化的研究熱潮。其主要領(lǐng)域包括:(I)以太陽光能為能源，以空氣中的氧氣為氧化劑促使水和空氣中的有機(jī)污染物徹底分解成co2、H2o和其它無機(jī)鹽，是一種理想的污染物控制技術(shù)；(2)利用太陽能將水分解為氫氣和氧氣等化學(xué)能，是氫能經(jīng)濟(jì)的重要組成部分；(3)將太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。雖然TiO2是一種極其優(yōu)秀的光催化劑，但由于TiO2的禁帶寬度較大(3.2eV)，只有波長等于或小于387 nm的紫外光才能激發(fā)TiO2產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴對從而引發(fā)光催化反應(yīng)。但實(shí)際到達(dá)地表的太陽輻射能量的波長范圍集中在46(T 500nm,紫外成分(300 400nm)不足5%，因此如何高效地利用太陽光進(jìn)行光催化反應(yīng)，開發(fā)能被可見光激發(fā)的光催化劑正日益引起人們的興趣。
為了擴(kuò)展Ti02的響應(yīng)波長范圍以充分利用太陽光，人們對其進(jìn)行了許多改性研究，包括金屬離子摻雜、非金屬離子摻雜、表面光敏化、耦合半導(dǎo)體及引入氧空位、離子注入等方法。一些科學(xué)工作者已研制出大量的新型多元金屬氧化物可見光催化劑，三價(jià)鉍的復(fù)合物如BiV04、Bi2MoO6, Bi2Mo2O9, Bi2Mo3O12和Bi2WO4被報(bào)道在可見光下具有良好的吸收。一系列鈮(鉭)酸鹽光催化劑由于具有較高的光催化活性而被廣泛研究。例如，燒綠石(pyrochlore)結(jié)構(gòu)型化合物Bi2MnNbO7(M = Al、Ga、In或稀土元素)、鶴猛鐵礦(wolframite)結(jié)構(gòu)型化合物 InMO4 (Μ = Nb 或Ta)、Stibotantalite Wolframite 結(jié)構(gòu)型化合物BiMO4 (M = Nb或Ta)等和鈮鉀復(fù)合氧化物光催化劑如層狀結(jié)構(gòu)的KNb03、KNb308、K4Nb6O17和孔道結(jié)構(gòu)的K6Nbia6O3tl等都具有較好的光催化性能。國內(nèi)外研究者還對一些鈦酸鹽如SrTiO3和Bi4Ti3O12等開展了光催化特性研究。
雖然光催化研究已進(jìn)行了若干年，但目前報(bào)道的具有可見光響應(yīng)的光催化劑種類仍很有限，仍存在著光轉(zhuǎn)換效率低、穩(wěn)定性差和光譜相應(yīng)范圍窄等問題，所以研究和開發(fā)新的具有可見光響應(yīng)的高效光催化劑是非常必要。文獻(xiàn)[P.L.Wise, 1.M.Reaney,W.E.Lee, Τ.J.Price, D.M.1ddlesj D.S.CannelI，Structure—microwave propertyrelations of Ca and Sr titanates，Journal of the European Ceramic Society，2001，21:2629 - 2632 ]報(bào)道了鈦酸鹽Sr4Ti3Oltl和Ca4Ti3Oltl的晶體結(jié)構(gòu)與微波介電性能?？紤]到目前尚無有關(guān)該類化合物光催化性能的研究報(bào)道，其組成、晶體結(jié)構(gòu)與SrTi03、Bi4Ti3O12等也顯然不同，我們對鈦酸鹽SivxCaxTi3Oltl進(jìn)行了光催化性能研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該類化合物具有優(yōu)異的可見光響應(yīng)的光催化性能。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有可見光響應(yīng)的鈦酸鹽光催化劑Sr4_xCaxTi301(l及其制備方法。
本發(fā)明涉及的具有可見光響應(yīng)的鈦酸鹽的化學(xué)組成通式為:Sr4_xCaxTi301(l，其中O < X < 4。
所述鈦酸鹽的制備方法具體步驟為: (I)將99.9%分析純的化學(xué)原料SrCO3XaCO3和TiO2,按Sr4_xCaxTi301(l化學(xué)式稱量配料，其中O彡X彡4。
(2)將步驟(I)配好的原料混合，放入球磨罐中，加入氧化鋯球和無水乙醇，球磨8小時(shí)，混合磨細(xì)，取出烘干，過200目篩。
(3)將步驟(2)混合均勻的粉料在125(Tl300°C預(yù)燒，并保溫6小時(shí)，自然冷卻至室溫，然后通過球磨機(jī)等粉碎手段使粒子直徑變小，低于2 μ m，即得到鈦酸鹽SivxCaxTi3Oltl粉末。
本發(fā)明制備方法簡單、成本低，制備的光催化劑具有優(yōu)良的催化性能，在可見光照射下具有分解有害化學(xué)物質(zhì)、有機(jī)生物質(zhì)和殺菌的作用。
具體實(shí)施方式
下面將對本發(fā)明進(jìn)行具體說明: 1、為了得到本發(fā)明中所使用的復(fù)合氧化物，首先使用固相合成法制備粉末，即把作為原料的各種氧化物或碳酸鹽按照目標(biāo)組成化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行混合，再在常壓下于空氣氣氛中合成。
2、為了能夠有效利用光，本發(fā)明中的光催化劑的尺寸最好在微米級別，甚至是納米粒子，且比表面積較大。用固相合成法制備的氧化物粉末，其粒子較大而表面積較小，但是可以通過球磨機(jī)等粉碎手段使粒子直徑變小。
3、本發(fā)明的光催化實(shí)驗(yàn)以甲基橙作為模擬有機(jī)污染物，其濃度為20mg/L ;鈦酸鹽光催化劑Sr4_xCaxTi301(l的加入量為lg/L ;光源使用300W的氙燈，反應(yīng)槽使用硼硅酸玻璃制成的器皿，通過濾波器得到波長大于420nm長波長的光，然后照射光催化劑；催化時(shí)間設(shè)定為120分鐘。
實(shí)施例1: (I)將99.9%分析純的化學(xué)原料SrCO3和TiO2,按Sr4Ti3Oltl化學(xué)式稱量配料。
(2)將步驟(I)配好的原料混合，放入球磨罐中，加入氧化鋯球和無水乙醇，球磨8小時(shí)，混合磨細(xì)，取出烘干，過200目篩。
(3)將步驟(2)混合均勻的粉料在1250°C預(yù)燒，并保溫6小時(shí)，自然冷卻至室溫，然后通過球磨機(jī)粉碎手段使粒子直徑變小，低于2 μ m,即得到鈦酸鹽Sr4Ti3Oltl粉末。
所制備的光催化劑，在波長大于420nm的可見光照射下，120分鐘對甲基橙去除率達(dá)到97.6%ο
實(shí)施例2: (I)將99.9%分析純的化學(xué) 原料CaCO3和TiO2,按Ca4Ti3Oltl化學(xué)式稱量配料。
(2)將步驟(I)配好的原料混合，放入球磨罐中，加入氧化鋯球和無水乙醇，球磨8小時(shí)，混合磨細(xì)，取出烘干，過200目篩。
(3)將步驟(2)混合均勻的粉料在1300°C預(yù)燒，并保溫6小時(shí)，自然冷卻至室溫，然后通過球磨機(jī)粉碎手段使粒子直徑變小，低于2 μ m，即得到鈦酸鹽Ca4Ti3Oltl粉末。
所制備的光催化劑，在波長大于420nm的可見光照射下，120分鐘對甲基橙去除率達(dá)到98.5%ο
實(shí)施例3:(I)將99.9%分析純的化學(xué)原料SrC03、CaCO3和TiO2,按Sr3CaTi3Oltl化學(xué)式稱量配料。
(2)將步驟(I)配好的原料混合，放入球磨罐中，加入氧化鋯球和無水乙醇，球磨8小時(shí)，混合磨細(xì)，取出烘干，過200目篩。
(3)將步驟(2)混合均勻的粉料在1260°C預(yù)燒，并保溫6小時(shí)，自然冷卻至室溫，然后通過球磨機(jī)粉碎手段使粒子直徑變小，低于2 μ m,即得到鈦酸鹽Sr3CaTi3Oltl粉末。
所制備的光催化劑，在波長大于420nm的可見光照射下，120分鐘對甲基橙去除率達(dá)到98.1%。
實(shí)施例4:(I)將99.9%分析純的化學(xué)原料SrCO3XaCO3和TiO2,按Sr2Ca2Ti3Oltl化學(xué)式稱量配料。
(2)將步驟(I)配好的原料混合，放入球磨罐中，加入氧化鋯球和無水乙醇，球磨8小時(shí)，混合磨細(xì)，取出烘干，過200目篩。
(3)將步驟(2)混合均勻的粉料在1270°C預(yù)燒，并保溫6小時(shí)，自然冷卻至室溫，然后通過球磨機(jī)粉碎手段使粒子直徑變小，低于2 μ m,即得到鈦酸鹽Sr2Ca2Ti3Oltl粉末。
所制備的光催化劑，在波長大于420nm的可見光照射下，120min對甲基橙去除率達(dá)到98.2%ο
實(shí)施例5:(I)將99.9%分析純的化學(xué)原料SrC03、CaCO3和TiO2,按SrCa3Ti3Oltl化學(xué)式稱量配料。
(2)將步驟(I)配好的原料混合，放入球磨罐中，加入氧化鋯球和無水乙醇，球磨8小時(shí)，混合磨細(xì)，取出烘干，過200目篩。
(3)將步驟(2)混合均勻的粉料在1280°C預(yù)燒，并保溫6小時(shí)，自然冷卻至室溫，然后通過球磨機(jī)粉碎手段使粒子直徑變小，低于2 μ m,即得到鈦酸鹽SrCa3Ti3Oltl粉末。
所制備的光催化劑，在波長大于420nm的可見光照射下，120min對甲基橙去除率達(dá)到98.7%。
本發(fā)明決不限于以上實(shí)施例。具有與Ti相似結(jié)構(gòu)與化學(xué)性質(zhì)的元素如Sn、Zr等，以及與Ca和Sr相似結(jié)構(gòu)與化學(xué)性質(zhì)的元素如Ba、Pb也可以做出與本發(fā)明類似晶體結(jié)構(gòu)與性能的光催化劑。各組成、溫度的上下限、區(qū)間取值都能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，在此不一一列舉實(shí)施例。
以上發(fā)明實(shí)施例所制的光催化劑粉末可負(fù)載于多種基體表面上。基體可以是玻璃、陶瓷、活性炭或石英砂等，光催化劑可以以薄膜的形式負(fù)載于基體表面。
權(quán)利要求
1.一種鈦酸鹽作為可見光響應(yīng)的光催化劑的應(yīng)用，其特征在于所述鈦酸鹽的化學(xué)組成通式為:Sr4^xCaxTi3O10,其中O彡x彡4 ; 所述鈦酸鹽的制備方法具體步驟為: (1)將99.9%分析純的化學(xué)原料SrCO3XaCO3和TiO2,按Sr4_xCaxTi301(l化學(xué)式稱量配料，其中O彡X彡4 ; (2)將步驟(I)配好的原料混合，放入球磨罐中，加入氧化鋯球和無水乙醇，球磨8小時(shí)，混合磨細(xì)，取出烘干，過200目篩； (3)將步驟(2)混合均勻的粉料在125(Tl300°C預(yù)燒，并保溫6小時(shí)，自然冷卻至室溫，然后通過球磨機(jī)粉碎手段 使粒子直徑變小，低于2 μ m，即得到鈦酸鹽SivxCaxTi3Oltl粉末。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可見光響應(yīng)的鈦酸鹽光催化劑Sr4-xCaxTi3O10及其制備方法。該鈦酸鹽光催化劑的化學(xué)組成通式為Sr4-xCaxTi3O10,其中0≤x≤4。本發(fā)明還公開了上述材料的制備方法。本發(fā)明制備方法簡單、成本低，制備的光催化劑具有優(yōu)良的催化性能,在可見光照射下具有分解有害化學(xué)物質(zhì)的作用，且穩(wěn)定性好，具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號B01J23/02GK103157456SQ20131013220
公開日2013年6月19日 申請日期2013年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月17日
發(fā)明者方亮, 唐瑩, 韋珍海 申請人:桂林理工大學(xué)