CN102698732A - 光催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有纳米空心长方体形貌的CdSnO₃·3H₂O的制备方法及其在光催化方面的应用，属于环境治理中的光催化技术领域。拟解决传统催化剂TiO₂在降解气相有机芳香化合物(VOCs)污染物时效率低下、容易失活等问题。首次将CdSnO₃·3H₂O应用于光催化领域；本发明在没有加入任何模板剂的条件下，采用高效便捷的微波水热法合成具有纳米空心长方体形貌的CdSnO₃·3H₂O，得到的产品具有高效气相降解苯的活性，本发明制备方法简单，原料廉价易得，有利于大规模推广。

Description

光催化剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于环境治理中的光催化技术领域，具体是一种具有规则的纳米空心长方体形貌的催化剂CdSnO₃·3H₂O及其制备方法和应用。

背景技术

有机芳香化合物(VOCs)被广泛地用于工业生产当中，而这广阔的用途会导致水和空气的污染，尤其是室内的空气污染。据报道VOCs中的苯化合物对人体具有高致癌性，因此利用光催化技术消除苯，引起研究者们的广泛关注。其中，传统催化剂TiO₂以其价廉、无毒、催化性能好等优点，得到了广泛关注。但是由于TiO₂在降解苯的反应过程中，TiO₂的表面容易发生积碳现象导致催化剂的失活。针对这一难题国内外学者做了大量的工作，其中的一个方法是贵金属的负载，而该方法由于用到昂贵的贵金属而阻碍了该技术的推广；另外一个方法是优化光催化反应条件，例如增加反应体系的温度和在反应体系中通入一定量的水蒸气或氢气，这些措施极大的提高了光催化反应的效率、阻碍了TiO₂表面的积碳现象。然而优化光催化反应条件的工序比较复杂同样不利于大规模的推广。因此开发一种对苯污染物具有高效降解能力的非TiO₂光催化剂势在必行。

另外据报道，具有规则形貌的纳米材料在众多领域里都表现出更加优秀的性能，这些领域包括：光发射元件，太阳能电池，生物传感，光催化等。因此在开发高性能或独特功能材料的过程中，设计它的形貌是一个关键的因素。到目前为止，模板合成法在构造不同形貌材料的研究中是一种传统有利的方法。通过这种方法制备了材料的多种不同形貌，例如：纳米片，纳米棒，纳米立方体，纳米管等。然而，在制备这些具有特殊形貌材料的过程中，除去所加入的模板剂是非常必要的，但是大多数的模板剂不仅除去困难而且毒性大，所以不能大规模的工业生产。因此设计和发展一种无模板方法去合成具有特殊形貌的材料仍旧是一个挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有规则的纳米空心长方体形貌的催化剂CdSnO₃·3H₂O及其制备方法和应用。拟解决传统催化剂TiO₂在降解气相有机芳香化合物(VOCs)污染物时效率低下、容易失活等问题。首次将CdSnO₃·3H₂O应用于光催化领域；本发明在没有加入任何模板剂的条件下，采用高效便捷的微波水热法合成具有纳米空心长方体形貌的CdSnO₃·3H₂O，得到的产品具有高效气相降解苯的活性，本发明制备方法简单，原料廉价易得，无需模板、反应条件温和，有利于大规模推广。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种光催化剂CdSnO₃·3H₂O具有规则的纳米空心长方体形貌。

一种如上所述的光催化剂CdSnO₃·3H₂O的制备方法为无模板微波水热法。将等量的可溶性镉盐和可溶性锡酸盐放入烧杯中，向烧杯加入蒸馏水，在室温下剧烈搅拌1-2h，形成均匀的白色悬浊液，然后用质量分数为10%的氨水调节pH值为11，转入微波反应釜中，在微波消解仪中保持100-250℃反应0.1-3 h，冷却后，产物经过离心，洗涤和烘干即得到所述的光催化剂。

一种如上所述的光催化剂CdSnO₃·3H₂O的应用于气相降解有机污染物。例如：室内空气净化，工业废气处理等。

本发明在没有加入任何模板剂的条件下，采用高效的微波水热合成法制备出边长范围为30-50 nm的纳米空心长方体的CdSnO₃·3H₂O光催化剂。

本发明的显著优点在于：

（1）本发明首次将CdSnO₃·3H₂O应用于光催化领域，其禁带宽度较大，具有较强的氧化还原能力，是一种新型的光催化剂，能够高效的降解空气中的有机污染物。

（2）本发明采用微波水热法，在没有加入任何模板剂的条件下，合成具有纳米空心长方体形貌的CdSnO₃·3H₂O光催化剂，与常规的模板法相比，不仅节省了成本，而且克服了制备后期去除模板剂的困难，有利于大规模的工业生产。

（3）本发明制备的具有纳米空心长方体形貌的光催化剂，是一种具有强氧化还原能力的宽带隙新型光催化剂，将其应用于光催化领域，能高效地降解空气中的有机污染物，同时具有良好的活性稳定性，具有很高的实用价值和应用前景。

附图说明

图1是本发明CdSnO₃·3H₂O的X射线衍射(XRD)图。

图2是本发明CdSnO₃·3H₂O的紫外可见漫反射(DRS)图。

图3是本发明CdSnO₃·3H₂O光催化剂与传统催化剂P25对气相苯的光催化降解情况。

图4是本发明CdSnO₃·3H₂O的透射电镜图(a)和高分辩透射电镜图(b)。

具体实施方式

本发明的制备步骤如下：

将等摩尔量的原料CdCl₂·2.5H₂O和Na₂SnO₃·4H₂O放入烧杯，向烧杯加入60 ml的蒸馏水，在室温下剧烈搅拌30 min，形成均匀的白色悬浊液，然后用5%的氨水将上述浊液的pH调节为11，将浊液一并转入100 ml的微波反应釜中，在微波消解仪中保持160 ℃条件下反应2 h，冷却后，产物经过离心和洗涤，在60 ℃烘箱将产品烘干，即得到所述光催化剂。

实施例1

具有纳米空心长方体形貌的CdSnO₃·3H₂O光催化剂的制备

将等摩尔量的原料CdCl₂·2.5H₂O和Na₂SnO₃·4H₂O放入烧杯，向烧杯加入60 ml的蒸馏水，在室温下剧烈搅拌30 min，形成均匀的白色悬浊液，然后用5%的氨水将上述浊液的pH调节为11，将浊液一并转入100 ml的微波反应釜中，在微波消解仪中保持160 ℃条件下反应2 h，冷却后，产物经过离心和洗涤，在60 ℃烘箱将产品烘干，即得到所述光催化剂。图1展示了本发明的CdSnO₃·3H₂O光催化剂的X射线衍射(XRD)图，从图中可以发现所制备的CdSnO₃·3H₂O为纯相。图2展示了本发明的CdSnO₃·3H₂O光催化剂的紫外可见漫反射图，从图中可以观察到CdSnO₃·3H₂O的吸收带边为260 nm，通过计算得到其禁带宽度约为4.8 eV，是一种宽带隙半导体，具有较强的氧化还原能力。因此，CdSnO₃·3H₂O在处理空气中的污染物方面是一个很有潜力的光催化剂。

实施例2

具有纳米空心长方体形貌的CdSnO₃·3H₂O光催化剂气相降解苯

将制备的催化剂用于降解气相苯，来评价其光催化性能。反应装置由一根石英玻璃管(长 11 cm，直径2.4 mm)，催化剂用量0.3 g，过筛50-70目，将催化剂装填在石英管内，用石英棉分别添堵在催化剂的两端，同时将K型热电偶伸入催化剂反应管内探测体系的温度，利用电风扇鼓风为体系降温，使得体系的温度始终维持在室温左右，气流速率为20 mL/min，光源用4盏4 W的紫外灯，其主要激发波长为254 nm。反应物和产物由在线色谱(HP6890，Porapak R 填充柱，TCD，FID)每隔一定的时间自动取样，模拟污染物苯和产物二氧化碳的浓度采用外标法来确定。比较CdSnO₃·3H₂O和传统催化剂P25的光催化活性，考察二者对气相苯的降解情况如图3所示。由图可知，二者对苯的转化率大约都在12.5%左右，而CdSnO₃·3H₂O对苯的矿化率却高达67%远远高于P25对苯的矿化率(33%)。另外，CdSnO₃·3H₂O在反应1500 min后对苯的转化率和矿化率基本维持不变，而P25对苯的转化率和矿化率逐渐降低。因此，CdSnO₃·3H₂O具有高效稳定的光催化降解性能。文中苯的转化率和矿化率由下面公式计算得到：

转化率=([C₆H₆]_转化/[C₆H₆]_最初)*100；

矿化率=([CO₂]_产生/6*[C₆H₆]_转化)*100。

实施例3

在没有添加任何模板剂的条件下，采用微波水热法制备的CdSnO₃·3H₂O的透射电镜图如图4所示，从图4-a中可以看出样品是具有规则的纳米空心长方体的形貌，其边长约为30-50 nm。图4-b给出了CdSnO₃·3H₂O的高分辨透射电镜图，从中可以清晰地观察到晶格条纹，其条纹间距d=0.39 nm，与CdSnO₃·3H₂O的XRD谱图中最强衍射峰对应的(200)晶面的晶面间距相符。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种光催化剂CdSnO₃·3H₂O，其特征在于：所述的光催化剂CdSnO₃·3H₂O具有规则的纳米空心长方体形貌。

2.一种如权利要求1所述的光催化剂CdSnO₃·3H₂O的制备方法，其特征在于：所述的制备方法为无模板微波水热法。

3.根据权利要求2所述的光催化剂CdSnO₃·3H₂O的制备方法，其特征在于：将等量的可溶性镉盐和可溶性锡酸盐放入烧杯中，向烧杯加入蒸馏水，在室温下剧烈搅拌1-2h，形成均匀的白色悬浊液，然后用质量分数为10%的氨水调节pH值为11，转入微波反应釜中，在微波消解仪中保持100-250℃反应0.1-3 h，冷却后，产物经过离心，洗涤和烘干即得到所述的光催化剂。

4.一种如权利要求1所述的光催化剂CdSnO₃·3H₂O的应用，其特征在于：所述的光催化剂用于气相降解有机污染物。

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