CN101502794B - 化合物YMO3(M=In,Al)的光催化用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光催化材料的制备及其在治理环境污染方面的用途。该材料是化合物YMO3，其中M为In或Al，YAlO3的结构为钙钛矿型，YInO3是具有立方相的(Y0.5In0.5)2O3。由硝酸钇与硝酸铟或硝酸铝为氧化剂、有机羧酸氨基乙酸为燃料、在去离子水或蒸馏水溶液中经300～400℃低温燃烧产生氧化还原反应得到纳米级粉体化合物，再经1000～1200℃环境中焙烧1～12小时得到YInO3或YAlO3。本催化材料杂质含量低，结构稳定，在可见光波段有稳定吸光能力，在可见光条件下有光降解有机污染物的用途，是无紫外线环境中净化环境的光催化剂，能满足室内无紫外线环境时光催化净化的需求。
Description
技术领域
本发明涉及治理环境污染用的光催化材料及制备，也涉及低温燃烧合成技术。
背景技术
随着工业的发展和人民生活水平的提高，环境污染问题已提到非常重要的议事日程，开发高效、节能、无二次污染的环境治理、环境保护新技术尤其受到人们的关注。在各类新技术中，光催化技术是21世纪最有前途的环境友好清洁新技术之一，它是利用光催化剂吸收光的能量分解有机物或分解水的过程。其机理是半导体价带中的电子受光激发跃迁到导带，在导带中形成光生电子，在价带中留下光生空穴。这些非平衡态的电子和空穴有极强的还原和氧化能力。当它们扩散到光催化剂的表面时候，可将污染物氧化还原成无害的小分子，或将水分解为H2和O2。由于光催化可利用自然光(例如太阳光)长期工作，具有低成本、无毒害的优点，对于从根本上解决环境污染和能源短缺问题具有不可低估的意义。
实用的光催化材料需有较强的吸光能力，以及较长时间的非平衡态电子、空穴寿命和较高的电子、空穴迁移率。如何找到合适的光催化材料一直是科技人员关注的研究课题。近30年来的相关研究主要围绕着以TiO2为基础的系列宽禁带半导体。然而由于TiO2的禁带过宽，致使TiO2只能吸收紫外波段的光。从太阳能的利用来看，紫外线(400nm以下)仅占太阳光总能量的4％左右，而波长为400-750nm的可见光则占到近43％。因此，为了有效地利用太阳能，同时满足室内无紫外线环境光催化净化的需求，寻找可见光响应的光催化剂势在必行。
发明内容
本发明目的在于，提供一种在可见光条件下具有光降解有机污染物性能的光催化剂YMO3(M＝In，Al)及其制备方法。
本发明的可见光响应光催化剂，其特征在于，它是化合物YMO3，其中M为In或Al，YAlO3的结构为钙钛矿型，YInO3是具有立方相的(Y0.5In0.5)2O3，即其结构为立方相，结构式为(Y0.5In0.5)2O3。该光催化剂可以由以下方法制备：由硝酸钇与硝酸铟或硝酸铝为氧化剂、有机羧酸氨基乙酸为燃料、在去离子水或蒸馏水溶液中经300～400℃低温燃烧产生氧化还原反应得到纳米级粉体化合物，再经1000～1200℃环境中焙烧1～12小时得到的YInO3或YAlO3，其中硝酸钇与硝酸铟或硝酸铝摩尔比为1∶1，硝酸铟或硝酸铝与氨基乙酸摩尔比为3∶10，加水量按照硝酸钇溶液浓度为0.1～0.2摩尔/升计算，其化学反应式为：
3Y(NO3)3+3M(NO3)3+10C2H5NO2＝3YMO3+14N2↑+25H2O↑+20CO2↑。
本发明的制备上述可见光响应光催化剂YMO3(M＝In，Al)的方法，包括配料、混合及低温燃烧合成，其特征在于，具体步骤为：1)将硝酸钇(Y(NO3)3)、硝酸铟(In(NO3)3)或者硝酸铝(Al(NO3)3)、有机燃料氨基乙酸(NH2CH2COOH)和去离子水或蒸馏水水混合配成溶液，并将配好后的溶液经搅拌使其均匀混合，后于室温下静置12～24小时，其中硝酸钇与硝酸铟或硝酸铝的摩尔比为1∶1，硝酸铟或硝酸铝与氨基乙酸摩尔比为3∶10，加水量按照硝酸钇溶液浓度为0.1～0.2摩尔/升计算；2)将上述溶液缓慢升温到300～400℃，例如先将溶液置于150～200℃下恒温20～60分钟，再以2～4℃/分钟的速率缓慢升温到300～400℃，使溶液中的有机燃料燃烧并发生合成反应，得到蓬松的纳米YMO3(M＝In，Al)粉体，其化学反应式为：
3Y(NO3)3+3M(NO3)3+10C2H5NO2＝3YMO3+14N2↑+25H2O↑+20CO2↑；
3)将上述纳米粉体在1000～1200℃下焙烧1～12小时，得成品YInO3或YAlO3。
本发明的可见光响应光催化剂YMO3(M＝In，Al)，产品杂质含量低，结构稳定。测试结果表明，该催化剂YMO3在可见光波段中具有较强的吸光能力，以及较长时间的非平衡态电子、空穴寿命和较高的电子、空穴迁移率，能够吸收太阳光中的可见光部分，并且在可见光照射下具有稳定的光催化活性，能够满足室内无紫外线环境时光催化净化的需求。
本发明的制备方法基于氧化还原反应原理，以硝酸盐为氧化剂，有机羧酸为燃料，配料提供了燃烧所需的氧化剂，保证后续燃烧反应中有机燃料的需氧量和硝酸盐提供的氧含量平衡，使反应能够迅速蔓延并充分进行，直至燃料耗尽。本制备方法具有以下优点：
1.反应在溶液中进行，可以达到分子水平的均匀混合，合成温度低；
2.制备工艺简单，所需时间短，费用低。
3.不需要长时间研磨，产品中杂质含量低，从而保证了稳定的光催化活性。
附图说明
图1是本发明实施例1和实施例2所制备的YInO3和YAlO3在其进行光催化活性反应前后的XRD测试曲线。
图2是对本发明实施例1和实施例2所制备的YInO3和YAlO3进行光催化活性测试的结果。
具体实施方式
实施例1
(1)称取2.75克Y(NO3)3、3.819克
2.5克有机燃料C2H5NO2，放入100毫升烧杯中，加入50毫升去离子水，搅拌30分钟使其均匀混合后，将溶液于室温下静置24小时；
(2)取上述溶液约20毫升置于100毫升烧杯中，将烧杯置于200℃下恒温30分钟；
(3)然后按3℃/分钟速率缓慢升温至300℃使容器内的溶液充分燃烧，得到蓬松的YInO3粉体；
(4)将上述燃烧粉末置于1100℃下焙烧10小时，得成品YInO3。
对该成品进行X射线衍射(简称XRD)测试，其结果示于图1。图1中反应前的YInO3曲线表明该合成样品为纯相的YInO3。
实施例2
(1)称取2.75克Y(NO3)3、3.751克Al(NO3)3·9H2O、2.5克有机燃料C2H5NO2，放入100毫升烧杯中，加入50毫升去离子水，搅拌30分钟后，将溶液于室温下静置24小时；
(2)取上述溶液约20毫升置于100毫升烧杯中，将烧杯置于200℃下恒温30分钟；
(3)然后按3℃/分钟速率缓慢升温至300℃使容器内的溶液充分燃烧，得到蓬松的YAlO3粉体；
(4)将上述燃烧粉末置于1100℃下焙烧10小时，得成品YAlO3。
图1中反应前的YAlO3曲线为该合成样品的X射线衍射图，表明该合成样品为纯相钙钛矿型YAlO3。
图2为YInO3和YAlO3的光催化活性结果。测试实验采用150W卤钨灯为可见光光源，催化剂用量为0.45克，亚甲基蓝溶液浓度为23.9微摩尔/升，体积为150毫升。为了除去卤钨灯中的紫外光和热效应，在灯管外加一带回流水的双层耐高温玻璃套管。每隔一段时间抽取5毫升左右的反应静置液，采用分光光度计测定溶液的吸光度，根据亚甲基蓝的褪色速率来衡量催化剂的活性。结果表明，YInO3体系用了大约110分钟将亚甲基蓝完全降解，YAlO3体系光降解亚甲基蓝时间约为90分钟。反应结束后加入亚甲基蓝做第二次光催化活性表征，YInO3和YAlO3体系仍然只用了约110分钟和90分钟就将亚甲基蓝完全降解，表明所合成催化剂在可见光照射下具有稳定的光催化活性。
图1同时列出了光催化反应后光催化剂的XRD结果，可以看出YInO3和YAlO3在反应前后的晶体结构没有发生改变，这表明该催化剂结构稳定。
实施例3
(1)称取5.50克Y(NO3)3、7.638克
5.0克有机燃料C2H5NO2，放入250毫升烧杯中，加入100毫升去离子水，搅拌60分钟后，将溶液于室温下静置12小时；
(2)取上述溶液约30毫升置于100毫升烧杯中，将烧杯置于150℃下恒温60分钟；
(3)然后按4℃/分钟速率缓慢升温至350℃使容器内的溶液充分燃烧，得到蓬松的YInO3粉体，将该粉末置于1020℃下焙烧12小时，得成品YInO3。
实施例4
(1)称取5.50克Y(NO3)3、7.502克Al(NO3)3·9H2O、5.0克有机燃料C2H5NO2，放入250毫升烧杯中，加入100毫升蒸馏水，搅拌60分钟使其充分混合，然后将溶液于室温下静置18小时；
(2)取上述溶液约30毫升置于100毫升烧杯中，将烧杯置于150℃下恒温60分钟；
(3)然后按4℃/分钟速率缓慢升温至400℃使容器内的溶液充分燃烧，得到蓬松的YAlO3粉体，将该粉末置于1200℃下焙烧2小时，得成品YAlO3。
Claims (1)
1.一种化合物YMO3的光催化用途，所述YMO3中的M为In或Al，其中YAlO3的结构为钙钛矿型，YInO3是具有立方相的(Y0.5In0.5)2O3，其特征在于，所述YMO3在可见光波段中具有吸光能力，具有在可见光条件下光降解有机污染物的用途，是应用于无紫外线环境中净化环境的光催化剂，所述有机污染物是指亚甲基蓝。
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