專利名稱：一種半導(dǎo)體光催化劑及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體光催化劑及其制備方法。作為一種極具前途的環(huán)境污染治理技術(shù)，半導(dǎo)體光催化反應(yīng)自上個(gè)世紀(jì)七十年代被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，因其高效的催化活性、低能耗、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在水和空氣中有機(jī)污染物的治理方面倍受矚目。
背景技術(shù)：
在所有可作為光催化劑的半導(dǎo)體材料中，二氧化鈦的催化性能最為優(yōu)異。就目前的研究結(jié)果來(lái)看，摻雜稀土元素、表面沉淀貴金屬、復(fù)合其它種類的金屬氧化物半導(dǎo)體都可以有效地提高二氧化鈦光催化劑的催化性能，而催化劑的晶粒尺寸、晶型、比表面積等結(jié)構(gòu)參數(shù)也對(duì)催化劑的性能都有重大影響。在現(xiàn)有的各種光催化劑制備方法中，無(wú)論從技術(shù)性還是從經(jīng)濟(jì)性考慮，溶膠-凝膠法都是最具工業(yè)化前景的方法。
在用溶膠-凝膠法制備稀土摻雜二氧化鈦的光催化劑時(shí)，由于稀土元素是以無(wú)機(jī)鹽的形式加入，而稀土無(wú)機(jī)鹽的水解較慢，如果溶劑揮發(fā)過(guò)快，容易造成稀土無(wú)機(jī)鹽結(jié)晶析出，導(dǎo)致催化劑組成上的不均勻性，嚴(yán)重影響催化劑的性能。當(dāng)用溶膠-凝膠法制備超細(xì)粉體的催化劑時(shí)，由于溶劑的揮發(fā)較容易控制，結(jié)晶偏析的問(wèn)題并不十分嚴(yán)重，可是在用該方法制備薄膜時(shí)，控制溶劑的揮發(fā)速度變得非常困難。在多數(shù)情況下超細(xì)粉體催化劑并不適合實(shí)際應(yīng)用，因此以溶膠-凝膠法在催化劑載體上制備性能優(yōu)異的催化劑薄膜已經(jīng)成為該催化劑產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的突破口。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的要點(diǎn)之一是在二氧化鈦中摻雜兩種或以上的稀土元素，其中至少有兩種稀土元素分別為高變價(jià)元素(鈰Ce、鐠Pr和鋱Tb)和低變價(jià)元素(釤Sm、銪Eu和鐿Yb)。本發(fā)明的要點(diǎn)之二是使用玻璃微珠和玻璃纖維作為催化劑的載體。本發(fā)明的要點(diǎn)之三是以快速凝膠的溶膠-凝膠法在催化劑載體上制備稀土摻雜二氧化鈦催化劑薄膜。該制備方法與傳統(tǒng)的溶膠-凝膠法不同之處在于，在溶膠的生成階段，不能使用水或含水的試劑，在將溶膠涂覆到載體表面后，應(yīng)盡快將載體置于溶劑和氨類化合物的蒸氣氣氛下使載體表面的溶膠涂層快速凝膠化。
該催化劑適用于空氣和水中的有機(jī)污染物的光分解凈化處理。
本發(fā)明的具體實(shí)施步驟如下(1)溶膠的制備首先將摻雜的稀土混合物溶解在溶劑中。稀土混合物中應(yīng)含有兩種或兩種以上的稀土元素，而且其中至少有兩種稀土元素分別為高變價(jià)元素(鈰Ce、鐠Pr和鋱Tb)和低變價(jià)元素(釤Sm、銪Eu和鐿Yb)。摻雜劑的用量應(yīng)為鈦酸四丁酯用量的0.1～5％(摩爾比)。摻雜劑可使用稀土元素的氧化物或鹽。溶劑為主要由碳數(shù)在1～7之間的醇類化合物組成的組合物，如甲醇、乙醇、乙二醇等，溶劑的組分、含量和用量以可以使各種物料充分溶解即可。待稀土混合物溶解后，加入鈦酸四丁酯，微熱并攪拌直至溶液的粘度增加，表明溶膠已經(jīng)形成。
(2)涂覆將載體(玻璃微珠或玻璃纖維)浸沒(méi)在按步驟1制備的溶膠中，待載體被浸潤(rùn)完全后取出。載體在涂覆前應(yīng)進(jìn)行徹底地除油清洗后烘干備用。
(3)快速凝膠化完成涂覆步驟的載體應(yīng)盡快迅速置于包含步驟1中使用的溶劑和水的蒸氣氣氛下，使載體表面的溶膠涂層快速凝膠化。
(4)熱處理將凝膠薄膜按以下程序熱處理
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1將0.002摩爾的硝酸鈰和0.002摩爾的硝酸釤溶于800毫升乙醇溶劑中，攪拌至完全溶解后加入1.0摩爾的鈦酸四丁酯，微熱并攪拌直至溶液的粘度增加，表明溶膠已經(jīng)形成。將經(jīng)過(guò)除油清洗后烘干備用的玻璃微珠在溶膠溶液中充分浸潤(rùn)后迅速置于由乙醇和水構(gòu)成的氣氛下，當(dāng)涂層充分凝膠后將載體按上述熱處理程序處理，其中在550℃保溫7小時(shí)。
實(shí)施例2將0.0075摩爾的氧化鈰和0.0075摩爾的氧化銪溶于800毫升甲醇和乙醇(1∶5)的混合溶劑中，攪拌至完全溶解后加入1.0摩爾的鈦酸四丁酯，微熱并攪拌直至溶液的粘度增加，表明溶膠已經(jīng)形成。將經(jīng)過(guò)除油清洗后烘干備用的玻璃微珠在溶膠溶液中充分浸潤(rùn)后迅速置于由甲醇、乙醇和水構(gòu)成的氣氛下，當(dāng)涂層充分凝膠后將載體按上述熱處理程序處理，其中在550℃保溫7小時(shí)。
實(shí)施例3將0.02摩爾的硝酸鐠和0.02摩爾的硫酸釤溶于1000毫升甲醇、乙醇和乙二醇(1∶8∶1)的混合溶劑中，攪拌至完全溶解后加入1.0摩爾的鈦酸四丁酯，微熱并攪拌直至溶液的粘度增加，表明溶膠已經(jīng)形成。將經(jīng)過(guò)除油清洗后烘干備用的玻璃微珠在溶膠溶液中充分浸潤(rùn)后迅速置于由上述溶劑和水構(gòu)成的氣氛下，當(dāng)涂層充分凝膠后將載體按上述熱處理程序處理，其中在550℃保溫10小時(shí)。
實(shí)施例4將0.002摩爾的硝酸鈰、0.002摩爾的硝酸鐠和0.004摩爾的硝酸釤溶于1000毫升甲醇、乙醇和乙二醇(1∶3∶1)的混合溶劑中，攪拌至完全溶解后加入1.0摩爾的鈦酸四丁酯，微熱并攪拌直至溶液的粘度增加，表明溶膠已經(jīng)形成。將經(jīng)過(guò)除油清洗后烘干備用的玻璃微珠在溶膠溶液中充分浸潤(rùn)后迅速置于由上述溶劑和水構(gòu)成的氣氛下，當(dāng)涂層充分凝膠后將載體按上述熱處理程序處理，其中在550℃保溫7小時(shí)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體光催化劑，其特征在于以玻璃微珠或玻璃纖維為載體的多元稀土摻雜的二氧化鈦薄膜，其中至少有兩種稀土元素分別為高變價(jià)元素(鈰Ce、鐠Pr和鋱Tb)和低變價(jià)元素(釤Sm、銪Eu和鐿Yb)，稀土摻雜劑的含量為二氧化鈦的0.1～5％(摩爾比)，摻雜劑可使用稀土元素的氧化物或鹽。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體光催化劑，其特征在于半導(dǎo)體光催化劑的制備方法按以下步驟實(shí)現(xiàn)(1)溶膠的制備首先將稀土混合物摻雜劑溶解在溶劑中，待完全溶解后，加入鈦酸四丁酯，微熱并攪拌直至溶液的粘度增加，表明溶膠已經(jīng)形成；(2)涂覆將載體(玻璃微珠或玻璃纖維)浸沒(méi)在按步驟(1)制備的溶膠中，待載體被浸潤(rùn)完全后取出，載體在涂覆前應(yīng)進(jìn)行徹底地除油清洗后烘干備用；(3)快速凝膠化完成涂覆步驟的載體應(yīng)盡快迅速置于步驟(1)中使用的溶劑和水的蒸氣氣氛下，使載體表面的溶膠涂層快速凝膠化；(4)熱處理將凝膠薄膜在550℃下熱處理；
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體光催化劑的制備方法，其特征在于在上述步驟(1)中，溶劑主要由碳數(shù)在1～7之間的醇類化合物組成的組合物，溶劑的組分、含量和用量以可以使各種物料充分溶解即可。
全文摘要
本發(fā)明提出一種半導(dǎo)體光催化劑及其制備方法。具體地講就是，在玻璃微珠或玻璃纖維表面以快速凝膠的溶膠－凝膠法制備由多元變價(jià)稀土元素?fù)诫s的二氧化鈦半導(dǎo)體光催化劑，該催化劑適用于空氣和水中的有機(jī)污染物的光分解凈化處理。
文檔編號(hào)B01J23/10GK1765491SQ20041004399
公開日2006年5月3日 申請(qǐng)日期2004年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月28日
發(fā)明者邵延斌, 孫克寧, 邵延文, 劉蘭毅, 石偉 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)