CN103055842A - 可见光响应的含锂岩盐结构复合物光催化剂Li3NbO4及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可见光响应的含锂岩盐结构复合物作Li₃NbO₄及其制备方法。该复合物光催化剂的化学组成式为Li₃NbO₄。将纯度为99.9%的化学原料Li₂O和Nb₂O₅，按Li₃NbO₄化学式称量配料；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8小时，混合磨细，取出烘干，过200目筛；混合均匀的粉料在700~800℃预烧，并保温4~8小时，自然冷却至室温，然后通过球磨机球磨使粒子直径变小，达到2μm，即得到含锂岩盐结构复合物光催化剂Li₃NbO₄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的作用，且稳定性好，具有良好的应用前景。

Description

可见光响应的含锂岩盐结构复合物光催化剂Li3NbO4及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种可见光响应的含锂岩盐结构复合物光催化剂Li₃NbO₄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；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；近些年来, 光催化剂已引起世界各国科学家的关注, 许多著名研究机构和企业相继投入巨资从事光催化剂机理和应用的研究,光催化剂在抗菌、脱臭、防污和水处理等许多领域已开始进入推广应用阶段。光催化材料在解决能源和环境问题方面有重要的应用前景，随着各国研究工作的深入, 这种新材料被认为是21 世纪最有希望的新兴材料产品之一；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。

虽然光催化研究已进行了若干年,但目前报道的具有可见光响应的光催化剂种类仍很有限，仍存在着光转换效率低、稳定性差和光谱相应范围窄等问题，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；近来关于复合氧化物的光催化剂有不少报道；中国专利ZL 201110094355.8公开了可见光响应的复合氧化物光催化剂LiWNb_1-xTa_xO₆及制备方法，中国专利ZL 201110074988.2公开了可见光响应的复合氧化物光催化剂LiCuNb_1-xTa_xO₄及制备方法；以上发明的光催化剂，已被证实是具有较好的光催化性能的可见光响应光催化剂。

最近我们对锂基岩盐结构氧化物Li₃NbO₄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，而且组成简单，易于合成制备，有利于推广应用；经查阅国内外文献，目前文献[1、ZHOU D, WANG H, PANG L X,et al. Microwave dielectric characterization of a Li₃NbO₄ ceramic and its chemical compatibility with silver[J]. J Am Ceram Soc, 2008, 91(12): 4115-4117.等]报道了有关Li₃NbO₄的晶体结构类型与微波介电性能，并未报道相关的光催化性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种可见光响应的含锂岩盐结构复合物光催化剂Li₃NbO₄及其制备方法。

本发明涉及的可见光响应的含锂岩盐结构复合物光催化剂的组成化学式为：Li₃NbO₄。

上述可见光响应的含锂岩盐结构复合物光催化剂的制备方法具体步骤为：

(1)将纯度为99.9%的化学原料Li₂O和Nb₂O₅，按Li₃NbO₄化学式称量配料；

(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8小时，混合磨细，取出烘干，过200目筛，制得混合均匀的粉料；

(3)将步骤(2)制得的混合均匀的粉料在700~800℃预烧，并保温4~8小时，自然冷却至室温，然后通过球磨机球磨使粒子直径变小，达到2μm，即得到含锂岩盐结构复合物光催化剂Li₃NbO₄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燃烧、合成。如果是容易挥发的原料，则通过过量该原料的比例来消除原料挥发对反应的影响。

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。近年来，水热法已广泛应用于材料的合成，与其它粉体制备方法相比，水热合成法制备的粒子尺寸小，而且纯度高，晶粒发育好，所含的缺陷少，晶体结构比较接近理想晶体，其物理性能也比较接近于理论值，还可以通过调节水热反应条件来控制产物的形貌。因此，本发明通过水热法合成了所需粉末。

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；含锂岩盐结构复合物光催化剂Li₃NbO₄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120分钟。

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)将纯度为99.9%的化学原料Li₂O和Nb₂O₅，按Li₃NbO₄化学式称量配料；

(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8小时，混合磨细，取出烘干，过200目筛，制得混合均匀的粉料；

(3)将步骤(2)制得的混合均匀的粉料在700℃预烧，并保温8小时，自然冷却至室温，然后通过球磨机球磨使粒子直径变小，达到2μm，即得到含锂岩盐结构复合物光催化剂Li₃NbO₄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95%。

实施例2：

(1)将纯度为99.9%的化学原料Li₂O和Nb₂O₅，按Li₃NbO₄化学式称量配料；

(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8小时，混合磨细，取出烘干，过200目筛，制得混合均匀的粉料；

(3)将步骤(2)制得的混合均匀的粉料在750℃预烧，并保温6小时，自然冷却至室温，然后通过球磨机球磨使粒子直径变小，达到2μm，即得到含锂岩盐结构复合物光催化剂Li₃NbO₄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96.5%。

实施例3：

(1)将纯度为99.9%的化学原料Li₂O和Nb₂O₅，按Li₃NbO₄化学式称量配料；

(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8小时，混合磨细，取出烘干，过200目筛，制得混合均匀的粉料；

(3)将步骤(2)制得的混合均匀的粉料在800℃预烧，并保温4小时，自然冷却至室温，然后通过球磨机球磨使粒子直径变小，达到2μm，即得到含锂岩盐结构复合物光催化剂Li₃NbO₄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97.8%。

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Ta、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。

本发明各原料的上下限、区间取值，以及工艺参数（如温度、时间、pH值等）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)

1.一种含锂岩盐结构复合物作为可见光响应的光催化剂的应用，其特征在于所述复合氧化物的化学组成式为：Li₃NbO₄；

所述含锂岩盐结构复合物的制备方法具体步骤为：

(1)将纯度为99.9%的化学原料Li₂O和Nb₂O₅，按Li₃NbO₄化学式称量配料；

(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8小时，混合磨细，取出烘干，过200目筛，制得混合均匀的粉料；

(3)将步骤(2)制得的混合均匀的粉料在700~800℃预烧，并保温4~8小时，自然冷却至室温，然后通过球磨机球磨使粒子直径变小，达到2μm，即得到含锂岩盐结构复合物Li₃NbO₄粉末。