CN102861569A - 可见光响应的含钒石榴石结构氧化物光催化剂及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可见光响应的含钒石榴石结构氧化物光催化剂及其制备方法。含钒石榴石结构氧化物光催化剂的化学组成式为:NaCa2(Mg1-xZnx)2V3O12(0≤x≤1)。1）将99.9%分析纯的化学原料Na2CO3、CaCO3、MgO、ZnO和V2O5，按NaCa2(Mg1-xZnx)2V3O12化学式称量配料，其中0≤x≤1；2）将步骤（1）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2～8小时，混合磨细，取出烘干，过200目筛；3）将步骤（2）所得粉料在860～935℃预烧，并保温6～8小时，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。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

可见光响应的含钒石榴石结构氧化物光催化剂及制备方法
技术领域
本发明涉及一种可见光响应的含钒石榴石结构氧化物光催化剂NaCa2(Mg1-xZnx)2V3O12 (0≤x≤1) 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剂分解水中和大气中的农药以及恶臭物质等有机物，以及涂有光催化剂的固体表面的自我清洁等应用实例。目前，使用的光催化剂主要为二氧化钛，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是3.2eV,只有在比400nm短的紫外线的照射下才能显现出活性，只能在室内或者有紫外灯的地方工作，几乎不能利用可见光，这大大的限制了二氧化钛光催化剂的使用。
考虑到光催化剂在分解有害物质中的实用性，利用太阳光作为光源是不可缺少的。照射向地表的太阳光中波长在500nm附近可见光的强度最大，波长为400nm-750nm的可见光区的能量大约是太阳光总能量的43%，所以为了高效的利用太阳光谱，寻找具有可见光响应的光催化剂引起了人们的重视。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。
文献[Kazuake I, Junpei U. Morphology of flux-grown vanadate garnets. [J]. J. Crystal Growth., 2006, 291:436-441]报道了化合物NaCa2Mg2V3O12、NaCa2Zn2V3O12的晶体结构，但是没有涉及有关光催化性能及其应用。为了探索新的具有可见光响应的高效光催化剂，我们对NaCa2(Mg1-xZnx)2V3O12(0≤x≤1)进行了光催化性能研究，结果发现该类化合物具有优异的可见光响应的光催化性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有可见光响应的含钒石榴石结构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含钒石榴石结构氧化物光催化剂的化学组成式为：NaCa2(Mg1-xZnx)2V3O12，其中0≤x≤1。
上述可见光响应的含钒石榴石结构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Na2CO3、CaCO3、MgO、ZnO和V2O5，按NaCa2(Mg1-xZnx)2V3O12化学式称量配料，其中0≤x≤1；
2）将步骤（1）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2～8小时，混合磨细，取出烘干，过200目筛；
3）将步骤（2）所得粉料在860～935℃预烧，并保温6～8小时，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，即可得到含钒石榴石结构氧化物光催化剂NaCa2(Mg1-xZnx)2V3O12 (0≤x≤1) 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；钒石榴石结构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1：
1）将99.9%分析纯的化学原料Na2CO3、CaCO3、MgO和V2O5，按NaCa2Mg2V3O12化学式称量配料。
2）将步骤（1）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2小时，混合磨细，取出烘干，过200目筛。
3）将步骤（2）所得粉料在860℃预烧，并保温8小时，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，即可得到含钒石榴石结构氧化物光催化剂NaCa2Mg2V3O12粉末。
所制备的光催化剂，在波长大于420nm的可见光照射下，120分钟对甲基橙去除率达到99%。
 
实施例2：
1）将99.9%分析纯的化学原料Na2CO3、CaCO3、MgO、ZnO和V2O5，按NaCa2Mg1.2Zn0.8V3O12化学式称量配料。
2）将步骤（1）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4小时，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7小时，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，即可得到含钒石榴石结构氧化物光催化剂NaCa2Mg1.2Zn0.8V3O12粉末。
所制备的光催化剂，在波长大于420nm的可见光照射下，120分钟对甲基橙去除率达到99.4%。
 
实施例3：
1）将99.9%分析纯的化学原料Na2CO3、CaCO3、ZnO和V2O5，按NaCa2Zn2V3O12化学式称量配料。
2）将步骤（1）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8小时，混合磨细，取出烘干，过200目筛。
3）将步骤（2）所得粉料在935℃预烧，并保温6小时，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，即可得到含钒石榴石结构氧化物催化剂NaCa2Zn2V3O12粉末。
所制备的光催化剂，在波长大于420nm的可见光照射下，120分钟对甲基橙去除率达到99.2%。
本发明决不限于以上实施例。具有与Mg、Zn等相似结构与化学性质的元素如Ni, Co, Cu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 (1)

1.一种含钒石榴石结构氧化物作为可见光响应的光催化剂的应用，其特征在于所述含钒石榴石结构氧化物的化学组成式为：NaCa2(Mg1-xZnx)2V3O12 ，其中0≤x≤1；
所述含钒石榴石结构氧化物的制备方法步骤为：
1）将99.9%分析纯的化学原料Na2CO3、CaCO3、MgO、ZnO和V2O5，按NaCa2(Mg1-xZnx)2V3O12化学式称量配料，其中0≤x≤1；
2）将步骤（1）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2～8小时，混合磨细，取出烘干，过200目筛；
3）将步骤（2）所得粉料在860～935℃预烧，并保温6～8小时，自然冷却至室温，然后通过球磨机粉碎手段使粒子直径变小，达到2μm，即可得到含钒石榴石结构氧化物NaCa2(Mg1-xZnx)2V3O12粉末。
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