專利名稱：鈮酸鹽光催化劑K₃MNb₇O₂₁及其制備方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種可見光響應的鈮酸鹽光催化劑K3MNb7O21及其制備方法，屬于無機光催化材料領域。
背景技術(shù)：
隨著社會經(jīng)濟的發(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)了半導體光催化的研究熱潮。其主要領域包括:(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污染物徹底分解成co2、h2o和其它無機鹽，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能，是氫能經(jīng)濟的重要組成部分；(3)將太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。雖然TiO2是一種極其優(yōu)秀的光催化齊U，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)生導帶電子和價帶空穴對從而引發(fā)光催化反應。但實際到達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行光催化反應，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。
為了擴展TiO2的響應波長范圍以充分利用太陽光，人們對其進行了許多改性研究，包括金屬離子摻雜、非金屬離子摻雜、表面光敏化、耦合半導體及引入氧空位、離子注入等方法。一些科學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，三價鉍的復合物如BiV04、Bi2MoO6, Bi2Mo2O9, Bi2Mo3O12和Bi2WO4被報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(M = Nb 或 Ta)、Stibotantalite Wolframite 結(jié)構(gòu)型化合物BiMO4 (M = Nb, Ta)等和鈮鉀復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。
雖然光催化研究已進行了若干年，但目前報道的具有可見光響應的光催化劑種類仍很有限，仍存在著光轉(zhuǎn)換效率低、穩(wěn)定性差和光譜相應范圍窄等問題，所以研究和開發(fā)新的具有可見光響應的高效光催化劑是非常必要。文獻[方亮，張輝，吳伯麟，袁潤章等 新鈮酸鹽化合 物K6Zr2Nb14O42的合成 無機化學學報，1999，15: 118 120]和文獻[Fang Liang, Zhang Hui, Wu Bolin, Yuan Runzhang et al.Synthesis andCharacterization of A New Compound K6Ti2Nb14O42 in K2O-TiO2-Nb2O5 System.J.WuhanUniv.0f Tech (Mater.Sc1.Ed), 1997，12:25 28 ]報道了六元環(huán)孔道結(jié)構(gòu)鈮酸鹽K3MNb7O21 (M=Ti或Zr)的合成與晶體結(jié)構(gòu)?？紤]到目前尚無有關(guān)該類化合物光催化性能的研究報道，我們對鈮酸鹽K3MNb7O21 (M=T1、Zr或Sn)進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的鈮酸鹽光催化劑K3MNb7O21及其制備方法。
本發(fā)明涉及的具有可見光響應的鈮酸鹽的化學組成通式為:K3MNb7021，其中M為T1、Sn和Zr中的一種。
所述孔道結(jié)構(gòu)鈮酸鹽的制備方法具體步驟為: (I)將99.9%分析純的化學原料K2CO3、MO2和Nb2O5,按K3MNb7O21化學式稱量配料，其中M為T1、Sn和Zr中的一種。
(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，混合磨細，取出烘干，過200目篩。
(3)將步驟(2)混合均勻的粉料在105(Tl080°C預燒，并保溫6小時，自然冷卻至室溫，然后通過球磨機等粉碎手段使粒子直徑變小，低于2 u m，即得到鈮酸鹽K3MNb7O21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物質(zhì)、有機生物質(zhì)和殺菌的作用。
具體實施方式
下面將對本發(fā)明進行具體說明: 1、為了得到本發(fā)明中所使用的復合氧化物，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組成化學計量比進行混合，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等粉碎手段使粒子直徑變小。
3、本發(fā)明的光催化實驗以甲基橙作為模擬有機污染物，其濃度為20mg/L ;鈮酸鹽光催化劑K3MNb7O21的加入量為lg/L ;光源使用300W的氙燈，反應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；催化時間設定為120分鐘。
實施例1: (I)將99.9%分析純的化學原料K2C03、TiO2和Nb2O5,按K3TiNb7O21化學式稱量配料。
(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，混合磨細，取出烘干，過200目篩。
(3)將步驟(2)混合均勻的粉料在1050°C預燒，并保溫6小時，自然冷卻至室溫，然后通過球磨機粉碎手段使粒子直徑變小，低于2 u m,即得到鈮酸鹽K3TiNb7O21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到98.7%。
實施例2: (I)將99.9%分析純的化學原料K2CO3、SnO2和Nb2O5,按K3SnNb7O21化學式稱量配料。
(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，混合磨細，取出烘干，過200目篩。
(3)將步驟(2)混合均勻的粉料在1070°C預燒，并保溫6小時，自然冷卻至室溫，然后通過球磨機粉碎手段使粒子直徑變小，低于2 u m,即得到鈮酸鹽K3SnNb7O21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到98.1%。
實施例3:(I)將99.9%分析純的化學原料K2CO3、ZrO2和Nb2O5,按K3ZrNb7O21化學式稱量配料。
(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，混合磨細，取出烘干，過200目篩。
(3)將步驟(2)混合均勻的粉料在1080°C預燒，并保溫6小時，自然冷卻至室溫，然后通過球磨機粉碎手段使粒子直徑變小，低于2 u m,即得到鈮酸鹽K3ZrNb7O21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到98.9%。
本發(fā)明決不限于以上實施例。具有與Nb相似結(jié)構(gòu)與化學性質(zhì)的元素如Ta，V等，以及M為T1、Sn和Zr等兩種或兩種以上元素的復合也可以做出與本發(fā)明類似晶體結(jié)構(gòu)與性能的光催化劑。各溫度的上下限、區(qū)間取值都能實現(xiàn)本發(fā)明，在此不一一列舉實施例。
以上發(fā)明實施例所制的光催化劑粉末可負載于多種基體表面上?；w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載于基體表面。
權(quán)利要求
1.一種鈮酸鹽作為可見光響應的光催化劑的應用，其特征在于所述鈮酸鹽的化學組成通式為=K3MNb7O2I,其中M為T1、Sn和Zr中的一種； 所述鈮酸鹽的制備方法具體步驟為: (1)將99.9%分析純的化學原料K2CO3、MO2和Nb2O5,按K3MNb7O21化學式稱量配料，其中M為T1、Sn和Zr中的一種； (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，混合磨細，取出烘干，過200目篩； (3)將步驟(2)混合均勻的粉料在105(Tl080°C預燒，并保溫6小時，自然冷卻至室溫，然后通過球磨機粉碎手段使粒子直徑變小，低于2 u m，即得到鈮酸鹽K3MNb7O21粉末。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可見光響應的鈮酸鹽光催化劑K3MNb7O21及其制備方法。該鈮酸鹽光催化劑的化學組成通式為K3MNb7O21,其中M為Ti、Sn和Zr中的一種。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物質(zhì)的作用，且穩(wěn)定性好，具有良好的應用前景。
文檔編號C01G33/00GK103191715SQ20131013019
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月16日
發(fā)明者方亮, 唐瑩, 韋珍海 申請人:桂林理工大學