一種具有光催化活性的稀土摻雜鈦酸鉀粉末的合成方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于光催化材料合成【技術(shù)領(lǐng)域】，本發(fā)明公開了一種具有光催化活性的稀土離子摻雜鈦酸鉀粉末的合成方法，本發(fā)明通過共沉淀-熔鹽法制備了稀土離子摻雜的鈦酸鉀光催化粉體。由于利用了稀土離子的可見-紫外上轉(zhuǎn)換效應(yīng)，該粉體具有可見光利用率高、電子-空穴復(fù)合幾率低、可見光催化活性強等顯著優(yōu)點。實驗證明，以高壓鹵素?zé)裟M可見光，催化劑濃度為1g/L時，對10mg/L的亞甲基藍溶液催化30min后，其降解率可達92%以上，優(yōu)于市售的光催化劑TiO2（P25）；此外，相比傳統(tǒng)的固相法，該粉體的粒徑分布窄、尺寸可控、摻雜均勻。
【專利說明】一種具有光催化活性的稀土摻雜鈦酸鉀粉末的合成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光催化材料合成【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種具有光催化活性的稀土離子摻雜鈦酸鉀粉末的合成方法。
【背景技術(shù)】
[0002]TiO2具有無毒、化學(xué)穩(wěn)定性好、活性高、持續(xù)性長等優(yōu)點，多年來被廣泛應(yīng)用于各種光催化領(lǐng)域。然而，隨著現(xiàn)代工業(yè)對光催化材料性能要求的不斷提高，TiO2光催化劑的太陽能利用率低、光生載流子復(fù)合率高等缺陷開始變得日益突出。為此，多年來研究人員圍繞TiO2的改性以及新型高效光催化劑的開發(fā)進行了大量的研究工作。與TiO2這種傳統(tǒng)的體相型光催化劑相比，具有層狀結(jié)構(gòu)的鈦酸鉀化合物其潛在的高效光催化性能近年來引起了人們的極大關(guān)注。該催化劑的突出特點是利用其層狀空間作為合適的反應(yīng)點以抑制電子和空穴復(fù)合的逆反應(yīng)，從而有效提高催化反應(yīng)效率。此外，層狀結(jié)構(gòu)還可促進電子轉(zhuǎn)移，有利于有機分子的吸附，從而進一步提高其光催化效率。因此，鈦酸鉀光催化材料的研究具有非常廣闊的市場前景和應(yīng)用價值。
[0003]鈦酸鉀的分子通式為K20.nTi02,隨著TiO2的含量不同而存在多種形式的鈦酸鉀化合物，包括:Κ20.2Ti02、K20.4Ti02、K20.6Ti02、K20.8Ti02 等。其中以 K20.4Ti02 和K2O *6Ti02最具光催化潛力。然而，與TiO2光催化劑一樣，鈦酸鉀光催化劑也存在能隙太寬的缺陷(其禁帶寬度為3.45eV左右)，因此通常只能被紫外光所激發(fā)，其吸光量大約僅占太陽光譜的4%。加之為了追求納米級光催化劑的高活性，制備出的催化劑(粉體或薄膜)光吸收帶邊會因量子尺寸效應(yīng)而產(chǎn)生藍移，導(dǎo)致可見光利用率進一步降低。為克服上述缺陷，多年來各國學(xué)者開展了大量研究工作，各種修飾改性方法相繼被提出。如金屬離子摻雜、非金屬離子摻雜、沉積貴金屬、窄帶隙半導(dǎo)體復(fù)合等一些修飾改性技術(shù)以提高其利用可見光的能力；
[0004]崔文權(quán)等利用高溫固相反應(yīng)、離子交換、層間插入反應(yīng)和硫化處理制備了 PbS插層的K2Ti4O9光催化劑。該催化劑對可見光的吸收范圍較寬，其吸收邊界約為710nm。在紫外光和可見光下3h累積產(chǎn)氫量可達到115.46mmol.gcat_1和0.92mmol.gcat_1 (崔文權(quán)，李立業(yè)，劉艷飛，胡金山，梁英華.PbS插層K2Ti4O9催化劑:制備及光催化制氫活性.無機化學(xué)學(xué)報，2012，28(4):773-778)。
[0005]高標(biāo)首先以K2COdP TiO2為原料，通過高溫固相反應(yīng)制得K2Ti4O915然后再以尿素作為氮源通過高溫固相反應(yīng)對K2Ti4O9進行氮摻雜，從而得到氮摻雜的K2Ti4O9。研究結(jié)果表明，氮摻雜四鈦酸鉀晶體的層間距加大，其可見光光波段光吸收能力得到顯著增強(高標(biāo).氮摻雜改性四鈦酸鉀光催化劑的合成及光催化性能研究.重慶大學(xué)，碩士論文，2010)。
[0006]專利(JP2001276621)以四烷氧基鈦和氫氧化鉀溶液為原料，在300?400°C水熱條件下，制備了釕摻雜鈦酸鉀光催化粉體。其通式為Ti6O13.XK.YRuO2 (式中，X=I或2，O ( y〈0.5)。該催化劑在250?650°C條件下顯示出良好的光催化活性。
[0007]目前，有關(guān)鈦酸鉀光催化材料的研究甚少。上述方法雖然這些方法確實擴大了鈦酸鉀對光的吸收范圍，但同時也帶來了一些顯著缺陷。如采用金屬離子摻雜光催化劑時，雖然能夠顯著降低帶隙能級，實現(xiàn)了可見光的激發(fā)，但同時也顯著降低了催化劑在紫外光光催化的活性。此外，催化劑的熱穩(wěn)定性較差、電子-空穴復(fù)合幾率增加、所需儀器設(shè)備昂貴等問題也是限制鈦酸鉀光催化劑發(fā)展的主要障礙。
[0008]更為重要的是，根據(jù)光催化氧化原理可知，不同波長的光所激發(fā)的空穴及其氧化電位是不一樣的。相比紫外光，利用可見光激發(fā)的光生電子-空穴對氧化還原能力較低。因此，片面提高光催化劑對可見光的吸收，也只能得到一些氧化能力較低的空穴，而這樣的空穴不但本身難以降解穩(wěn)定的有機污染物(如苯環(huán)和脂肪鏈等)，且不能有效地氧化水分子以產(chǎn)生氧化能力極強的氫氧自由基(.0Η)。研究發(fā)現(xiàn)，在光催化劑中引入可見-紫外上轉(zhuǎn)換光劑，即稀土離子化合物，從而利用稀土元素的亞穩(wěn)態(tài)能級特性，吸收多個低能量的長波輻射，并經(jīng)多光子加和后發(fā)出高能的短波輻射，以實現(xiàn)在可見光激發(fā)下發(fā)射出紫外光，使可見光轉(zhuǎn)化為紫外光后被光催化劑吸收利用，從而實現(xiàn)了既提高太陽光的利用率又進一步提高光催化劑的光催化能力的目的。稀土元素的電子能級更多，具有多化合價，在光催化劑中摻雜少量稀土金屬離子，可使其成為光生電子-空穴對的淺勢捕獲陷阱，延長電子與空穴的復(fù)合時間，從而提高光催化劑的光催化活性(魏月琳，黃昀昉，陳淑紅，范樂慶，黃妙良，林建明，吳季懷.鉺摻雜鑭鈦酸鉀的光催化性能研究.礦物學(xué)報，2010, 30(4):437-443)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明通過共沉淀-熔鹽法制備了稀土離子摻雜的鈦酸鉀光催化粉體。由于利用了稀土離子的可見-紫外上轉(zhuǎn)換效應(yīng)，該粉體具有可見光利用率高、電子-空穴復(fù)合幾率低、可見光催化活性強等顯著優(yōu)點。實驗證明，以高壓鹵素?zé)裟M可見光，催化劑濃度為Ig/L時，對10mg/L的亞甲基藍溶液催化30min后，其降解率可達92%以上，優(yōu)于市售的光催化劑TiO2 (P25);此外，相比傳統(tǒng)的固相法，該粉體的粒徑分布窄、尺寸可控、摻雜均勻。
[0010]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0011]本發(fā)明合成具有光催化活性的稀土離子摻雜鈦酸鉀粉末的方法步驟如下:
[0012](I)將稀土離子的氧化物用濃硝酸進行溶解，或?qū)⑾⊥岭x子的硝酸鹽溶于蒸餾水中，形成濃度為0.05~0.2mol.-1穩(wěn)定透明的含稀土離子溶液；
[0013](2)將含鈦溶液和可溶性鉀鹽溶液與步驟(1)制備的含稀土離子溶液進行混合，使混合溶液中稀土離子=Ti3+ =K+的摩爾比為X: (100-X):(30~55)，其中x=0.1~1，并用氨水調(diào)節(jié)PH值至6.5~7.5 ;
[0014](3)再往步驟(2)的混合溶液中加入稍過量的沉淀劑至PH值為9.0~9.5，并加熱至70~80°C，直至形成均一穩(wěn)定的混合沉淀液相，即前驅(qū)體；
[0015](4)將步驟(3)得到的前驅(qū)體進行攪拌干燥、研磨后備用。然后將熔鹽與前驅(qū)體粉末按質(zhì)量比為熔鹽/前驅(qū)體=3~6的比例進行混合，干燥，并盛放于陶瓷坩堝中，于600~1000°C下煅燒，并在最高溫度保溫I~5小時；
[0016](5)煅燒 完畢將得到的產(chǎn)物用蒸餾水反復(fù)洗滌、干燥，即可得到具有光催化活性的稀土離子摻雜鈦酸鉀粉末。
[0017]步驟(1)中，將稀土離子的氧化物用濃硝酸進行溶解，或?qū)⑾⊥岭x子的硝酸鹽溶于蒸餾水中，形成濃度為0.05~0.2mol -1穩(wěn)定透明的含稀土離子溶液；所述的稀土離子的氧化物或硝酸鹽是Er3+、Yb3+、La3+、Ce3+中的一種或幾種的氧化物或硝酸鹽，優(yōu)選是Er2O3或Er (NO3) 3。
[0018]步驟(2)中，所述的含鈦溶液是鈦酸丁酯、鈦酸異丙酯或TiCl3中的一種，優(yōu)選是TiCl3 ;所述的可溶性鉀鹽溶液是KN03、K2S04、KCl或K2CO3中的一種，優(yōu)選是K2C03。
[0019]步驟(2)中，優(yōu)選將含鈦溶液和可溶性鉀鹽溶液與步驟(1)制備的含稀土離子溶液進行混合，使混合溶液中稀土離子:Ti3+ -X的摩爾比為0.3:99.7:50，并用氨水調(diào)節(jié)pH值至7.0。
[0020]步驟(3)中，所述的沉淀劑是氫氧化鈉溶液、濃氨水或飽和尿素溶液中的一種，優(yōu)選是飽和尿素溶液。
[0021]步驟(3)中，優(yōu)選加熱至75°C。
[0022]步驟(4)中，所述的熔鹽是NaCl-NaN03、Na2S04-NaCl、NaCl-Na2C03 復(fù)合熔鹽、NaCl、Na2SO4, Na2CO3、NaNO3熔鹽中的一種，優(yōu)選是NaNO3熔鹽。
[0023]步驟(4)中，優(yōu)選將熔鹽與前驅(qū)體粉末按質(zhì)量比為熔鹽/前驅(qū)體=3:1的比例進行混合。[0024]步驟(4)中，優(yōu)選于700°C下煅燒，并在最高溫度保溫2小時。
[0025]本發(fā)明的積極效果如下:
[0026]1)本發(fā)明合成的光催化活性的稀土離子摻雜鈦酸鉀粉末具有可見光利用率高、電子-空穴復(fù)合幾率低、可見光催化活性強等顯著優(yōu)點。實驗證明，以高壓鹵素?zé)裟M可見光，催化劑濃度為lg/L時，對10mg/L的亞甲基藍溶液催化30min后，其降解率可達92%以上，優(yōu)于市售的光催化劑TiO2 (P25)；
[0027]2)本發(fā)明合成的光催化活性的稀土離子摻雜鈦酸鉀粉末不存在硬團聚，因此無需進行后續(xù)球磨。故不會引入二次雜質(zhì)，而且粒徑分布較窄；
[0028]3)本發(fā)明合成的光催化活性的稀土離子摻雜鈦酸鉀粉末的粒度可控。產(chǎn)品性能穩(wěn)定。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明實施例3的工藝流程圖。
[0030]圖2是本發(fā)明實施例3制備的Er摻雜鈦酸鉀粉末的掃描電鏡照片。
[0031]圖3是本發(fā)明實施例3制備的Er摻雜鈦酸鉀粉末的XRD圖譜。
[0032]圖4是本發(fā)明實施例3制備的Er摻雜鈦酸鉀粉末的可見光下催化亞甲基藍溶液的吸收光譜。
【具體實施方式】
[0033]下面的實施例是對本發(fā)明的進一步詳細描述。
[0034]實施例1
[0035](I)將Yb (NO3) 3.5Η20用蒸餾水溶解，形成濃度為0.2mol.L-1穩(wěn)定透明的Yb (NO3) 3溶液；
[0036](2)將TiCl3和KCl溶液與步驟(1)制備的Yb(NO3)3溶液進行混合，使混合溶液中Yb3+:Ti3+ =K+的摩爾比為0.5:99.5:50,并用氨水調(diào)節(jié)pH值至7.5 ；[0037](3)再往步驟(2)的混合溶液中加入稍過量的尿素飽和溶液至PH值為9.5，并加熱至75°C，直至形成均一穩(wěn)定的混合沉淀液相(即前驅(qū)體，包括混合沉淀與KCl溶液)；
[0038](4)將步驟(3)得到的前驅(qū)體進行攪拌干燥、研磨后備用，然后將Na2CO3熔鹽與前驅(qū)體粉末按質(zhì)量比為熔鹽/前驅(qū)體=4:1的比例進行混合，干燥，并盛放于陶瓷坩堝中，于1000°C下煅燒，并在最高溫度保溫I小時；
[0039](5)煅燒完畢將得到的產(chǎn)物用蒸餾水反復(fù)洗滌、干燥，即可得到具有光催化活性的Yb摻雜鈦酸鉀粉末。
[0040]實施例2
[0041 ] (1)將Ce2O3用濃硝酸進行溶解，形成濃度為0.05mol.L-1穩(wěn)定透明的Ce (NO3) 3溶液；
[0042](2)將KNO3溶液與步驟(1)制備的Ce(NO3)3溶液先進行混合，然后在快速攪拌的條件下緩慢滴入鈦酸丁酯溶液，使混合溶液中Ce3+:Ti3+ -X的摩爾比為0.3:99.9:35，并用氨水調(diào)節(jié)pH值至6.5 ；
[0043](3)再往步驟(2)的混合溶液中加入稍過量的2mol.F1NaOH溶液至PH值為9.5，形成均一穩(wěn)定的混合沉淀液相(即前驅(qū)體，包括混合沉淀與KNO3溶液)；
[0044](4)將步驟(3)得到的前驅(qū)體進行攪拌干燥、研磨后備用，然后將NaNO3熔鹽與前驅(qū)體粉末按質(zhì)量比為復(fù)合熔鹽/前驅(qū)體=3:1的比例進行混合，干燥，并盛放于陶瓷坩堝中，于600°C下煅燒，并在最高溫度保溫3小時；
[0045](5)煅燒完畢將得到的產(chǎn)物用蒸餾水反復(fù)洗滌、干燥，即可得到具有光催化活性的Ce摻雜鈦酸鉀粉末。
[0046]實施例3
[0047](I)首先將Er2O3用濃硝酸進行溶解，形成0.1mol.L-1穩(wěn)定透明的Er (NO3) 3溶液；
[0048](2)將TiCl3溶液和K2CO3溶液與Er(NO3)3溶液按照(Er3+ = Ti3+:K+)摩爾比為(0.3:99.7:50)的比例進行混合，并用氨水調(diào)節(jié)PH值至7，
[0049](3)再往步驟(2)的混合溶液中加入稍過量的飽和尿素溶液，至PH值為7.0，并加熱至75°C，直至形成均一穩(wěn)定的混合沉淀液相(即前驅(qū)體，包括混合沉淀與K2CO3溶液)；
[0050](4)將得到的前驅(qū)體干燥、研磨備用，然后將NaNO3熔鹽與前驅(qū)體粉末按質(zhì)量比為熔鹽/前驅(qū)體=3:1的比例進行混合，干燥，并盛放于陶瓷坩堝中，于700°C左右煅燒，并在最高溫度保溫2小時；
[0051](5)最后，取出坩堝，并將得到的產(chǎn)物用蒸餾水反復(fù)洗滌、干燥，即可得到具有高效可見光催化活性的Er摻雜鈦酸鉀粉末。
[0052]從圖2樣品的掃描電鏡圖片中可以看到，鈦酸鉀粉末的無明顯硬團聚，顆粒較均勻，粒徑在0.5~1.5μπι;
[0053]從圖3樣品的XRD圖譜中可以看到，樣品以K2Ti4O9為王晶相。
[0054]實施例4
[0055]本發(fā)明實施例3制備的的Er摻雜鈦酸鉀粉末催化亞甲基藍溶液的試驗步驟如下:
[0056]實驗通過降解10mg/L亞甲基藍溶液來評價樣品的光催化活性。首先取200ml亞甲基藍溶液置于燒杯中，然后加入0.2g稀土離子摻雜鈦酸鉀樣品。在暗室中對該溶液磁力攪拌30min，以確保在反應(yīng)前建立吸附-脫附平衡。采用125W的高壓鹵素?zé)?安裝有截止波長為420nm的濾波片，λ >420nm)模擬可見光。光照距離為15cm。反應(yīng)過程中每隔5min取4ml反應(yīng)液，并經(jīng)離心分離后汲取上層清液。采用ShimadzuUV-245型UV-Vis分光光度計在664nm處測定其吸光度。亞甲基藍的降解率按下式計算:
[0057]D%= (A0-At)/A0(式-1)
[0058]式-1中人為光催化降解前的亞甲基藍溶液吸光度[0059]At為光催化降解t時間后的亞甲基藍溶液吸光度
[0060]從圖4樣品催化亞甲基藍溶液的吸收光譜可以看到，隨著催化時間的增加，亞甲基藍溶液不斷被降解，至30min時，此時亞甲基藍溶液降解率大于92%。
[0061]盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。
【權(quán)利要求】
1.一種具有光催化活性的稀土離子摻雜鈦酸鉀粉末的合成方法，其特征在于:所述方法的步驟如下: (1)將稀土離子的氧化物用濃硝酸進行溶解，或?qū)⑾⊥岭x子的硝酸鹽溶于蒸餾水中，形成濃度為0.05~0.2mol.L-1穩(wěn)定透明的含稀土離子溶液； (2)將含鈦溶液和可溶性鉀鹽溶液與步驟(1)制備的含稀土離子溶液進行混合，使混合溶液中稀土離子=Ti3+ =K+的摩爾比為X: (100-x):(30~55)，其中x=0.1~1，并用氨水調(diào)節(jié)pH值至6.5~7.5 ; (3)再往步驟(2)的混合溶液中加入稍過量的沉淀劑至PH值為9.0~9.5，并加熱至70~80°C，直至形成均一穩(wěn)定的混合沉淀液相，即前驅(qū)體； (4)將步驟(3)得到的前驅(qū)體進行攪拌干燥、研磨后備用。然后將熔鹽與前驅(qū)體粉末按質(zhì)量比為熔鹽/前驅(qū)體=3~6的比例進行混合，干燥，并盛放于陶瓷坩堝中，于600~1000°C下煅燒，并在最高溫度保溫I~5小時； (5)煅燒完畢將得到的產(chǎn)物用蒸餾水反復(fù)洗滌、干燥，即可得到具有光催化活性的稀土離子摻雜鈦酸鉀粉末。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟(1)中，將稀土離子的氧化物用濃硝酸進行溶解或?qū)⑾⊥岭x子的硝酸鹽溶于蒸餾水中，形成濃度為0.1mol -L-1穩(wěn)定透明的含稀土離子溶液。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟(1)中，所述的稀土離子的氧化物或硝酸鹽是Er3+、Yb3+、La3+、Ce3+中的一種或幾種的氧化物或硝酸鹽。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟(2)中，所述的含鈦溶液是鈦酸丁酯、鈦酸異丙酯或TiCl3中的一種；所述的可溶性鉀鹽溶液是KN03、K2S04、KCl或K2CO3中的一種。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟(2)中，將含鈦溶液和可溶性鉀鹽溶液與步驟(1)制備的含稀土離子溶液進行混合，使混合溶液中稀土離子:Ti3+:κ+的摩爾比為0.3:99.7:50,并用氨水調(diào)節(jié)pH值至7.0。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟(3)中，所述的沉淀劑是氫氧化鈉溶液、濃氨水或飽和尿素溶液中的一種。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟(3)中，加熱至75°C，直至形成均一穩(wěn)定的混合沉淀液相，即前驅(qū)體。
8.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于:步驟(4)中，所述的熔鹽是NaCl-NaN03、Na2SO4-NaCl、NaCl-Na2CO3 復(fù)合熔鹽,或 NaCl、Na2SO4, Na2C03> NaNO3 單一熔鹽中的一種。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟(4)中，將熔鹽與前驅(qū)體粉末按質(zhì)量比為熔鹽/前驅(qū)體=3:1的比例進行混合。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟(4)中，于700°C下煅燒，并在最高溫度保溫2小時。
【文檔編號】B01J23/10GK103894177SQ201410128525
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月1日
【發(fā)明者】鄧義群, 沈針 申請人:江西理工大學(xué)