CN101745379B - 可见光响应的复合氧化物光催化剂Li7Ti5Nb3-xTaxO21及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可见光响应的复合氧化物光催化剂Li₇Ti₅Nb_3-xTa_xO₂₁及制备方法。1)将99.9％分析纯的化学原料Li₂CO₃、TiO₂、Nb₂O₅和Ta₂O₅，按Li₇Ti₅Nb_3-xTa_xO₂₁化学式称量配料；2)将配好的原料混合，放入球磨罐中，加入氧化锆球和无水乙醇，球磨12h，混合磨细，取出烘干，过200目筛；3)将步骤(2)所得粉料在800～1050℃预烧，并保温8-10h，自然冷却至室温，然后粉碎使粒子直径变小，达到2μm左右，即可得到复合氧化物光催化剂Li₇Ti₅Nb_3-xTa_xO₂₁粉末。本发明制备方法简单、成本低，制备的光催化剂具有优良的催化性能，在可见光照射下具有分解有害化学物质、有机生物质和杀菌的作用。

Description

可见光响应的复合氧化物光催化剂Li7Ti5Nb3-xTaxO21及制备方法

技术领域

本发明涉及一种可见光响应的复合氧化物光催化剂Li₇Ti₅Nb_3-xTa_xO₂₁及其制备方法，属于无机光催化材料领域。

背景技术

环境污染是世界各国十分关注的问题，已经导致了人们生活的饮用水源、工业水源质量不断下降，导致大气污染不断加剧，造成生态环境的不断破坏，对人类的生存构成严重威胁。为了解决这些问题，人们通过各种方法控制和治理环境污染。

从20世纪70年代末期，人们提出了利用光催化技术分解水中和大气中的农药以及恶臭物质等有机物。光催化反应的原理是光催化剂在吸收了高于其带隙能量的光子后，生成了空穴和电子，这些空穴和电子分别进行氧化反应和还原反应，达到分解有害化学物质、有机生物质和杀菌的目的。光催化技术降解环境污染物有望充分利用太阳能，而且这种方法具有能耗低，反应条件温和，操作方便，可减少二次污染等突出优点，日益受到重视，具有广阔的应用前景。

近些年来，光催化剂的开发和利用已经成为环境和能演领域的研究热点之一。其中，TiO₂因其的高效、廉价、无毒、化学稳定性和光稳定性好等特性而被广泛研究，已经利用二氧化钛对水中和大气中的农药和恶臭物质等有机物进行分解。然而二氧化钛的带隙为3.2eV，对应的激发波长为387nm，只能吸收波长≤400nm的紫外线。射入地表的太阳光，以可见光区所占的能量比例最大～43％，而紫外光所占太阳光能量则不足5％，这大大限制了TiO₂的应用。

为了在光催化反应中更有效的利用可见光，提高降解效率，国内外的科研工作者进行了大量研究，开发出一系列新型可见光响应的光催化剂。其中，铋系复合氧化物光催化剂如BiVO₄和Bi₂WO₆，在可见光下具有良好的催化活性；钙钛矿型或层状钙钛矿型氧化物具有较高的光催化活性，层状钙钛矿型氧化物K₄NbO₁₇，A₄Ta_xNb_6-xO₁₇(A＝K，Rb)等光量子效率可达5-10％，NiO作共催化剂的钙钛矿型氧化物光催化剂NaTaO3光量子效率达28％，K₂La₂TiO₁₀甚至可达30％。

目前报道的具有可见光响应的光催化剂种类仍很有限，所以研究和开发新的具有可见光响应的高效光催化剂是非常必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有可见光响应的复合氧化物光催化剂以及其制备方法。

本发明提供的一种具有可见光响应的复合氧化物光催化剂，其特征在于所述复合氧化物光催化剂的化学组成式为：Li₇Ti₅Nb_3-xTa_xO₂₁，其中0≤x≤3。

上述可见光响应的复合氧化物光催化剂的制备方法，按以下步骤进行：

1)将99.9％分析纯的化学原料Li₂CO₃、TiO₂、Nb₂O₅和Ta₂O₅，按Li₇Ti₅Nb_3-xTa_xO₂₁化学式称量配料；

2)将配好的原料混合，放入球磨罐中，加入氧化锆球和无水乙醇，球磨12h，混合磨细，取出烘干，过200目筛；

3)将步骤(2)所得粉料在800～1050℃预烧，并保温8-10h，自然冷却至室温，然后通过球磨机等粉碎手段使粒子直径变小，达到2μm左右，即可得到复合氧化物光催化剂Li₇Ti₅Nb_3-xTa_xO₂₁粉末。

本发明制备方法简单、成本低，制备的光催化剂具有优良的催化性能，在可见光照射下具有分解有害化学物质、有机生物质和杀菌的作用。

具体实施方式

下面将对本发明进行具体说明：

1、为了得到本发明中所使用的复合氧化物，首先使用固相合成法制备粉末，即把作为原料的各种氧化物或碳酸盐按照目标组成化学计量比进行混合，再在常压下于空气气氛中合成。

2、为了能够有效利用光，本发明中的光催化剂的尺寸最好在微米级别，甚至是纳米粒子，且比表面积较大。用固相合成法制备的氧化物粉末，其粒子较大而表面积较小，但是可以通过球磨机等粉碎手段使粒子直径变小。

3、本发明的光催化实验以甲基橙作为模拟有机污染物，其浓度为20mg/L；复合氧化物光催化剂的加入量为1g/L；光源使用300W的氙灯，反应槽使用硼硅酸玻璃制成的器皿，通过滤波器得到波长大于420nm长波长的光，然后照射光催化剂；催化时间设定为120min。

实施例

下面以具体的实际操作范例为基础对本发明进行详细说明。

实施例1：

1)将99.9％分析纯的化学原料Li₂CO₃、TiO₂和Nb₂O₅，按Li₇Ti₅Nb₃O₂₁化学式称量配料。

2)将配好的化学原料混合，放入球磨罐中，加入氧化锆球和无水乙醇，球磨12h，混合磨细，取出烘干，过200目筛。

3)将步骤(2)所得粉料在800℃预烧，并保温10h，自然冷却至室温，然后通过球磨机粉碎使粒子直径变小，达到2μm左右，即可得到复合氧化物光催化剂Li₇Ti₅Nb₃O₂₁粉末。

所制备的光催化剂，在波长大于420nm的可见光照射下，120min对甲基橙去除率达到98.8％。

实施例2：

1)将99.9％分析纯的化学原料Li₂CO₃、TiO₂、Nb₂O₅和Ta₂O₅，按Li₇Ti₅Nb_2.5Ta_0.5O₂₁化学式称量配料。

2)将配好的化学原料混合，放入球磨罐中，加入氧化锆球和无水乙醇，球磨12h，混合磨细，取出烘干，过200目筛。

3)将步骤(2)所得粉料在840℃预烧，并保温10h，自然冷却至室温，然后通过球磨机粉碎使粒子直径变小，达到2μm左右，即可得到复合氧化物光催化剂Li₇Ti₅Nb_2.5Ta_0.5O₂₁粉末。

所制备的光催化剂，在波长大于420nm的可见光照射下，120min对甲基橙去除率达到98％。

实施例3：

1)将99.9％分析纯的化学原料Li₂CO₃、TiO₂、Nb₂O₅和Ta₂O₅，按Li₇Ti₅Nb₂TaO₂₁化学式称量配料。

2)将配好的化学原料混合，放入球磨罐中，加入氧化锆球和无水乙醇，球磨12h，混合磨细，取出烘干，过200目筛。

3)将步骤(2)所得粉料在900℃预烧，并保温9h，自然冷却至室温，然后通过球磨机粉碎使粒子直径变小，达到2μm左右，即可得到复合氧化物光催化剂Li₇Ti₅Nb₂TaO₂₁粉末。

所制备的光催化剂，在波长大于420nm的可见光照射下，120min对甲基橙去除率达到97.6％。

实施例4：

1)将99.9％分析纯的化学原料Li₂CO₃、TiO₂、Nb₂O₅和Ta₂O₅，按Li₇Ti₅NbTa₂O₂₁化学式称量配料。

2)将配好的化学原料混合，放入球磨罐中，加入氧化锆球和无水乙醇，球磨12h，混合磨细，取出烘干，过200目筛。

3)将步骤(2)所得粉料在980℃预烧，并保温8h，自然冷却至室温，然后通过球磨机粉碎使粒子直径变小，达到2μm左右，即可得到复合氧化物光催化剂Li₇Ti₅NbTa₂O₂₁粉末。

所制备的光催化剂，在波长大于420nm的可见光照射下，120min对甲基橙去除率达到97.1％。

实施例5：

1)将99.9％分析纯的化学原料Li₂CO₃、TiO₂和Ta₂O₅，按Li₇Ti₅Ta₃O₂₁化学式称量配料。

2)将配好的化学原料混合，放入球磨罐中，加入氧化锆球和无水乙醇，球磨12h，混合磨细，取出烘干，过200目筛。

3)将步骤(2)所得粉料在1050℃预烧，并保温8h，自然冷却至室温，然后通过球磨机粉碎使粒子直径变小，达到2μm左右，即可得到复合氧化物光催化剂Li₇Ti₅Ta₃O₂₁粉末。

所制备的光催化剂，在波长大于420nm的可见光照射下，120min对甲基橙去除率达到96.7％。

本发明决不限于以上实施例。具有与Nb相似结构与化学性质的元素如V、Sb等也可以做出与本发明类似晶体结构与性能的光催化剂。各原料的工艺参数(如温度、时间等)的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。

以上发明实施例所制的光催化剂粉末可负载于多种基体表面上。基体可以是玻璃、陶瓷、活性炭、石英砂等，光催化剂可以以薄膜的形式负载于基体表面。

Claims (2)

1.一种可见光响应的复合氧化物光催化剂，其特征在于所述复合氧化物光催化剂的化学组成式为：Li₇Ti₅Nb_3-xTa_xO₂₁，其中0≤x≤3。

2.如权利要求1所述的复合氧化物光催化剂的制备方法，其特征在于具体步骤为：

1)将99.9％分析纯的化学原料Li₂CO₃、TiO₂、Nb₂O₅和Ta₂O₅，按Li₇Ti₅Nb_3-xTa_xO₂₁化学式称量配料；

2)将配好的原料混合，放入球磨罐中，加入氧化锆球和无水乙醇，球磨12h，混合磨细，取出烘干，过200目筛；

3)将步骤(2)所得粉料在800～1050℃预烧，并保温8-10h，自然冷却至室温，然后粉碎使粒子直径变小，达到2μm，即可得到复合氧化物光催化剂Li₇Ti₅Nb_3-xTa_xO₂₁粉末。