本發(fā)明涉及一種無機光催化劑及其制備方法,特別是一種鈮酸鹽基光催化劑及其制備方法。
背景技術(shù):
隨著工業(yè)的不斷發(fā)展,各種自然資源的破壞,環(huán)境污染日益嚴重,成為威脅人類生存的一個嚴重問題。廣大的科學(xué)工作者展開了一系列治理污染、保護環(huán)境的研究。自從1972年日本學(xué)者fujishima和honda發(fā)現(xiàn)tio2可以光降解水以來,光催化劑作為一種可以解決能源危機和環(huán)境污染的一種潛在的關(guān)鍵技術(shù)而日益受到人們的關(guān)注。在過去20年中,研究者除了對tio2的改性之外,還致力于研究新型有效的光催化劑,如氧化物、硫化物、氧硫化物、氮化物、氮氧化物等。
高效的光催化反應(yīng)可以利用太陽能直接分解水、環(huán)境中的有害有毒物質(zhì)。光催化的機理就是半導(dǎo)體在光的激發(fā)下,電子從價帶躍遷至導(dǎo)帶,在價帶上留下光生空穴,導(dǎo)帶上形成光生電子;所產(chǎn)生的光生載流子在擴散等作用下到達半導(dǎo)體的表面,與催化劑表面吸附的氧氣,水或污染物等作用。因為電子-空穴對的還原和氧化能力,它們可以直接和污染物反應(yīng),或者還可以使水分子或氧氣激發(fā)成羥基及超氧自由基等具有強氧化性能的自由基,降解環(huán)境中的有機污染物,將它們分解成無害的小分子、二氧化碳、水等,不會造成二次污染。目前,應(yīng)用最廣的光催化材料屬于寬緊帶n型半導(dǎo)體材料,如tio2、zno、zns等,其中以tio2的使用最廣泛。但是tio2經(jīng)光照射后產(chǎn)生的光電子與空穴容易重新復(fù)合,從而失去活性,造成其光催化效率低,不超過28%。光催化研究的關(guān)鍵問題之一是開發(fā)研究具有可見光響應(yīng)的光催化材料。目前研究者通過對光催化材料的一系列改性,摻雜、復(fù)合等手段拓寬可見光的響應(yīng),或者尋找其他新興的光催化材料。
鈮元素與其緊鄰的元素(v、zr、mo)在電負性和離子半徑等方面相差不大,但有趣的是,鈮化合物的催化行為與周圍元素的化合物非常不同。鈮的化合物的特性是它具有促進劑和載體的作用。鈮酸鹽及含鈮化合物在酸性條件的催化反應(yīng)中,表現(xiàn)出很好的催化活性、選擇性和穩(wěn)定性,可以有效地去除工業(yè)廢氣和汽車尾氣中的氮氧化物以及降解有機印染廢水;而在紫外光或可見光的照射下,一些鈮酸鹽可完全分解水放出氫氣和氧氣,從而給人們研發(fā)綠色能源技術(shù)開辟了一條新途徑。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是要提供一種制備方法簡單、對許多有機污染物的可見光催化降解性能優(yōu)良的鈮酸鹽基光催化劑及其制備方法。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:本發(fā)明包括鈮酸鹽基光催化劑和鈮酸鹽基光催化劑制備方法。
所述的鈮酸鹽基光催化劑,鈮酸鹽基光催化劑,化學(xué)式為sr3conb2o9;其中,按sr3conb2o9的化學(xué)計量比,分別稱取含sr2+、co2+/co3+和nb5+的化合物;含鍶的化合物為srco3和sr(no3)2中的一種;含有鈷離子的化合物為coco3、co(no3)2·6h2o、co3o4中的一種;含鈮的化合物為nb2o5和nb(oh)5中的一種。sr3conb2o9的質(zhì)量百分比為各個元素的物質(zhì)的量比乘以各自的摩爾質(zhì)量獲得。
鈮酸鹽基光催化劑制備方法為:固相制備法,制備成不規(guī)則顆粒狀或者球狀顆粒。
所述的鈮酸鹽光催化劑的固相制備方法,步驟如下:
(1)按照化學(xué)式sr3conb2o9的計量比,分別稱取含sr2+、co2+和nb5+的化合物,化合物的質(zhì)量百分比為各個元素的物質(zhì)的量比乘以各自的摩爾質(zhì)量獲得;在研缽中充分研磨,混合均勻;
(2)將步驟(1)稱取并研磨均勻的混合物在空氣氣氛中煅燒,煅燒溫度為650~850℃,煅燒時間為3~8小時;
(3)將步驟(2)煅燒的混合物自然冷卻后,研磨并混合均勻,在空氣氣氛中煅燒,煅燒溫度為1000~1300℃,煅燒時間為6~10小時;自然冷卻得到一種新型鈮酸鹽光催化材料。
其中,含鍶的化合物為srco3和sr(no3)2中的一種;含有鈷離子的化合物為coco3、co(no3)2·6h2o、co3o4中的一種;含鈮的化合物為nb2o5和nb(oh)5中的一種。
有益效果及優(yōu)點:本發(fā)明的sr3conb2o9光催化劑,在可見光照射下能有效地降解有機污染物,化學(xué)穩(wěn)定性好,可循環(huán)利用,無二次污染,具有較強的應(yīng)用前景;制備方法簡單,化學(xué)穩(wěn)定性好,實驗成本低,光譜響應(yīng)范圍寬,可以用于降解廢水中的有機污染物。
1、sr3conb2o9光催化材料制備簡單,對實驗設(shè)備要求不高,便于操作;
2、本發(fā)明制備的sr3conb2o9光催化材料在可見光區(qū)域具有較好的響應(yīng),該催化材料能夠高效的催化降解亞甲基藍,具有良好的光催化活性,是一種高效的光催化材料。
3、該光催化材料制備過程中無污染,無廢氣廢液排放,生產(chǎn)成本低,環(huán)境友好。
附圖說明:
圖1,本發(fā)明實施例1技術(shù)方案制備樣品的x射線粉末衍射圖譜,xrd測試結(jié)果顯示,所制備的sr3conb2o9為單相材料,沒有任何其它的雜質(zhì)物相存在。
圖2,本發(fā)明實施例1所制得的sr3conb2o9樣品的掃描電子顯微鏡圖譜。
圖3,本發(fā)明實施例1所制得的sr3conb2o9樣品紫外-可見漫反射光譜。
圖4,本發(fā)明實施例1所制得的sr3conb2o9樣品在不同的可見光照時間下對有機染料亞甲基藍的降解曲線。
具體實施方式
本發(fā)明包括鈮酸鹽基光催化劑和鈮酸鹽基光催化劑制備方法。
所述的鈮酸鹽基光催化劑,化學(xué)式為sr3conb2o9;其中,按sr3conb2o9的化學(xué)計量比,分別稱取含sr2+、co2+/co3+和nb5+的化合物;含鍶的化合物為srco3和sr(no3)2中的一種;含有鈷離子的化合物為coco3、co(no3)2·6h2o、co3o4中的一種;含鈮的化合物為nb2o5和nb(oh)5中的一種,sr3conb2o9的質(zhì)量百分比為各個元素的物質(zhì)的量比乘以各自的摩爾質(zhì)量獲得。
鈮酸鹽基光催化劑制備方法為:固相制備方法,制備成不規(guī)則顆粒狀或者球狀顆粒。
所述的鈮酸鹽光催化劑的固相制備方法,步驟如下:
(1)按照化學(xué)式sr3conb2o9的計量比,分別稱取含sr2+、co2+和nb5+的化合物,化合物的質(zhì)量百分比為各個元素的物質(zhì)的量比乘以各自的摩爾質(zhì)量獲得;在研缽中充分研磨,混合均勻;
(2)將步驟(1)稱取并研磨均勻的混合物在空氣氣氛中煅燒,煅燒溫度為650~850℃,煅燒時間為3~8小時;
(3)將步驟(2)煅燒的混合物自然冷卻后,研磨并混合均勻,在空氣氣氛中煅燒,煅燒溫度為1000~1300℃,煅燒時間為6~10小時;自然冷卻得到一種新型鈮酸鹽光催化材料。
所述含鍶的化合物為srco3和sr(no3)2中的一種;含有鈷離子的化合物為coco3、co(no3)2·6h2o、co3o4中的一種;含鈮的化合物為nb2o5和nb(oh)5中的一種。
1、為了得到本發(fā)明中所使用的光催化劑,首先使用所需原料制備前驅(qū)體,即把作為原料的各種金屬鹽或氧化物按照目標組成化學(xué)計量比,在空氣中氛圍下先進行預(yù)煅燒,再在常壓下于空氣氣氛中合成。
2、由于有鈷元素的存在,本發(fā)明的催化劑顏色為褐色,這能夠有效利用光,且疏松多孔,比表面積較大,光生電子和空穴的擴散速度快,有利于載流子的分離,從而有較好的光催化性能。
3、光催化降解亞甲基藍活性評價采用自制光催化反應(yīng)裝置,光源燈為500瓦圓柱形氙燈,反應(yīng)槽為使用硼硅酸玻璃制成的圓柱形光催化反應(yīng)儀器,將光源燈插入到反應(yīng)槽中,光源燈與液面間放置濾波片濾掉紫外光和紅外光,并通入冷凝水降溫,反應(yīng)時溫度為室溫。催化劑用量100毫克,溶液體積250毫升,亞甲基藍的濃度為10毫克/升。
降解實驗開始前,先將準備好的亞甲基藍溶液置于暗處一段時間,以達到吸附平衡狀態(tài)。催化劑置于反應(yīng)液中,催化時間設(shè)定為120分鐘,打開冷凝水后開始光照,光照后每15分鐘取一次樣,離心,取其上清液,用紫外-可見分光光度計在波長548-552納米處測定亞甲基藍溶液的吸光度。根據(jù)朗伯-比爾定律,溶液的吸光度與濃度成正比,因此可用吸光度代替濃度計算去除率,以此為亞甲基藍溶液的去除率。
計算公式:降解率=(1-c/c0)×100%=(1-a/a0)×100%,其中c0、c分別為光催化降解前后的濃度,a0、a分別是降解前后的吸光度值。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明技術(shù)方案作進一步描述。
實施例1:采用固相燒結(jié)法制備sr3conb2o9,首先,按照化學(xué)式sr3conb2o9,分別稱取碳酸鍶srco3:1.772克,碳酸鈷coco3:0.476克,五氧化二鈮nb2o5:1.063克,在研缽中研磨并混合均勻,選擇空氣氣氛第一次煅燒,溫度為650℃,煅燒時間是6小時,然后冷至室溫,取出樣品。然后,將前步樣品再次充分研磨,混合均勻,在空氣氣氛中煅燒,煅燒溫度為1200℃,煅燒時間是8小時,冷卻至室溫,取出樣品,即得到鈮酸鈷鍶sr3conb2o9粉末。
參見附圖1,本實施例1制備樣品的x射線粉末衍射圖,xrd測試結(jié)果顯示,所制備的鈮酸鈷鍶sr3conb2o9為單相材料,沒有任何其它雜相存在,而且結(jié)晶度較好。
參見附圖2,本實施例1制備樣品的sem圖,該材料為球狀或不規(guī)則狀粉末。因為采用的高溫固相法,所以存在一定的團聚現(xiàn)象。
參見附圖3,它是本實施例所制備樣品sr3conb2o9的紫外-可見漫反射光譜,從圖中可以看出,樣品對光的吸收狀況很好,在紫外和可見光區(qū)域范圍內(nèi)均具有吸收;
參見附圖4,它是本實施例所制備樣品sr3conb2o9在不同的紫外光照時間下對有機染料亞甲基藍的降解曲線。從圖中可以看出,該樣品光催化降解亞甲基藍的降解率在100分鐘左右達到90%,說明制備出的sr3conb2o9材料具有一定的光催化活性。
實施例2:采用固相法制備sr3conb2o9,首先,按照化學(xué)式sr3conb2o9的化學(xué)計量比,分別稱取硝酸鍶sr(no3)2:2.552克,四氧化三鈷co3o4:0.324克,五氧化二鈮nb2o5:1.063克。將所取原料放入瑪瑙研缽中,加入適量無水乙醇,研磨30~40分鐘,然后將混合均勻的原料放入剛玉坩堝,在700℃下預(yù)煅燒5小時,待自然降溫后取出得到前驅(qū)體。再將前軀體置于研缽中,繼續(xù)加無水乙醇研磨30分鐘,研磨充分后放入坩堝中,于1250℃、空氣氣氛下煅燒8小時,冷卻至室溫,取出樣品,即得到鈮酸鈷鍶sr3conb2o9粉末。
其主要的結(jié)構(gòu)形貌、吸光度和對亞甲基藍的降解率與實施例1相似。
實施例3:采用固相法制備sr3conb2o9,首先,按照化學(xué)式sr3conb2o9的化學(xué)計量比,分別稱取碳酸鍶srco3:1.772克,六水合硝酸鈷co(no3)2·6h2o:1.164克,氫氧化鈮nb(oh)5:1.424克。將所取原料放入瑪瑙研缽中,加入適量無水乙醇,研磨30~40分鐘,然后將混合均勻的原料放入剛玉坩堝,在800℃下預(yù)煅燒4小時,待自然降溫后取出得到前驅(qū)體。再將前軀體置于研缽中,繼續(xù)加無水乙醇研磨40分鐘,研磨充分后放入坩堝中,于1280℃、空氣氣氛下煅燒6小時,冷卻至室溫,取出樣品,即得到鈮酸鈷鍶sr3conb2o9粉末。
其主要的結(jié)構(gòu)形貌、吸光度和對亞甲基藍的降解率與實施例1相似。
實施例4:采用固相燒結(jié)法制備sr3conb2o9,首先,按照化學(xué)式sr3conb2o9,分別稱取硝酸鍶sr(no3)2:2.54克,六水合硝酸鈷co(no3)2·6h2o:1.164克,氫氧化鈮nb(oh)5:1.424克,在研缽中研磨并混合均勻,選擇空氣氣氛第一次煅燒,溫度為650℃,煅燒時間是3小時,然后冷至室溫,取出樣品。然后,將前步樣品再次充分研磨,混合均勻,在空氣氣氛中煅燒,煅燒溫度為1300℃,煅燒時間是5小時,冷卻至室溫,取出樣品,即得到sr3conb2o9粉末。
其主要的結(jié)構(gòu)形貌、對亞甲基藍的降解率與實施例1相似。
實施例5:采用固相法制備sr3conb2o9,首先,按照化學(xué)式sr3conb2o9的化學(xué)計量比,分別稱取硝酸鍶sr(no3)2:2.54克,碳酸鈷coco3:0.476克,五氧化二鈮nb2o5:1.063克。將所取原料放入瑪瑙研缽中,加入適量無水乙醇,研磨30~40分鐘,然后將混合均勻的原料放入剛玉坩堝,在850℃下預(yù)煅燒4小時,待自然降溫后取出得到前驅(qū)體。再將前軀體置于研缽中,繼續(xù)加無水乙醇研磨40分鐘,研磨充分后放入坩堝中,于1250℃、空氣氣氛下煅燒6小時,冷卻至室溫,取出樣品,即得到鈮酸鈷鍶sr3conb2o9粉末。