CN103240105A - 一种空心磷钨酸银可见光催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种空心磷钨酸银可见光催化剂的制备方法,本发明涉及催化剂的制备方法。本发明要解决目前制备磷钨酸银均是在较低温度下反应得到的,结晶度低、稳定性差,且形成的均为较大的晶体,具有很小的比表面积,因此光催化活性较低的问题。方法:一、制备悬浊液;二、制备粉体;三、焙烧。本方法所制得的空心磷钨酸银可见光催化剂具有大比表面积和空心结构等特性,其可见光催化活性高于普通磷钨酸银和商用Degussa P25。本发明用于制备空心磷钨酸银可见光催化剂。
Description
技术领域
本发明涉及催化剂的制备方法。
背景技术
近年来,日益严峻的环境污染严重威胁着人类的健康和生命。光催化作为一种高级氧化和无选择性催化工艺,在降解有机污染物方面具有独特的优势。因而,半导体光催化剂越来越受到人们的关注,在处理污水、杀菌消毒、光解水、固氮、CO2还原等方面取得了飞速的发展。传统的半导体如二氧化钛只能吸收紫外光,而无法利用占太阳光约一半能量的可见光,因而应用大大受限。值得注意的是,在众多半导体光催化剂中,磷钨酸银因其吸收可见光、催化活性高、价廉、无毒等优点而倍受关注。此外,磷钨酸银由于具有杂多酸的Keggin结构而具有特别高的稳定性。然而,低转换效率限制了其大规模的环境应用,因此,如何提高磷钨酸银的可见光催化效率是亟待解决的问题。影响磷钨酸银光催化效率的因素主要包括光的利用效率、光生电子-空穴的利用效率、稳定性等,而这些因素又极大地依赖于磷钨酸银自身的性质,如晶体结构、比表面积、形貌结构等。稳定的晶体结构对于催化剂的稳定性具有决定性作用,能够使催化剂不容易失活。此外,大比表面积有利于提高表面反应和提供更多的活性中心,空心结构有利于提高物质的传递和对光的吸收利用,高结晶度可以减少光生电子和空穴的复合中心,从而提高光催化活性。因此,合成同时具有较大比表面积、较高结晶度和高稳定性的空心结构磷钨酸银将有利于提高光催化效率,这仍是目前的一挑战性课题。目前制备磷钨酸银的报道非常少,均是在较低温度下反应得到的,结晶度低、稳定性差,且形成的均为较大的晶体,具有很小的比表面积,因此光催化活性较低,从而限制了其潜在的应用。
发明内容
本发明要解决目前制备磷钨酸银均是在较低温度下反应得到的,结晶度低、稳定性差,且形成的均为较大的晶体,具有很小的比表面积,因此光催化活性较低的问题,而提供的一种空心磷钨酸银可见光催化剂的制备方法。
一种空心磷钨酸银可见光催化剂的制备方法,具体是按照以下步骤制备的:
一、将磷钨酸、醇和水混合均匀,再加入硝酸银混合液,然后控制温度为5℃~25℃,搅拌速度为100~300转/分钟,搅拌1h~4h,得到均匀的悬浊液,其中硝酸银混合液为硝酸银的有机胺溶液或硝酸银的无机氨溶液;
二、将步骤一得到的悬浊液放入反应釜中,控制温度为120℃~180℃进行水热反应,保持5h~72h,然后冷却至室温,再过滤、水洗至中性,烘干,得到粉体;
三、将步骤二得到的粉体加热至温度为400℃~800℃,控制升温速度为1~10℃/min,焙烧2h~8h,得到一种空心磷钨酸银可见光催化剂。
本发明的有益效果是:
1.本发明方法制备的空心磷钨酸银可见光催化剂具有特定的晶型,且具有很高的相稳定性,在经过800℃焙烧后仍然保持其原来的晶相结构。
2.本发明方法制备的空心磷钨酸银可见光催化剂具有较大的比表面积,在700℃下仍具有很大的比表面积(大于120m2/g)。
3.本发明方法制备的空心磷钨酸银可见光催化剂具有很高的结晶度。经过水热反应,磷钨酸银已经具有一定的结晶度,再经过高温焙烧后具有非常高的结晶度。
4.本发明方法制备的空心磷钨酸银可见光催化剂具有空心结构,这有利于物质的吸附、扩散和对光的吸收利用。
5.空心磷钨酸银催化剂的表征主要有:X-射线衍射(用来分析晶相结构),扫描电镜(观察磷钨酸银的形貌),AUTOSORB-1氮气吸附脱附装置(表征磷钨酸银的比表面积)。
6.空心磷钨酸银具有较强的表面酸性,从而能够提供较多的表面活性位,有利于光生电子和空穴的分离。
7.由本发明方法制备的空心磷钨酸银光催化剂具有很高的光催化活性,在可见光照射下,其光催化活性明显高于国际上公认的具有高光催化活性的Degussa P25,可以有效地光催化降解水中的有机污染物。
本发明用于制备空心磷钨酸银可见光催化剂。
附图说明
附图1是实施例一所得空心磷钨酸银可见光催化剂的XRD谱图;
附图2是实施例一所得空心磷钨酸银可见光催化剂的UV-vis谱图;
附图3是实施例一所得空心磷钨酸银可见光催化剂的能谱图;
附图4、图5是实施例一所得空心磷钨酸银可见光催化剂的扫描电镜图;
附图6是实施例一所得空心磷钨酸银可见光催化剂降解2,4-二氯苯酚效率图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式,还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一:本实施方式一种空心磷钨酸银可见光催化剂的制备方法,具体是按照以下步骤制备的:
一、将磷钨酸、醇和水混合均匀,再加入硝酸银混合液,然后控制温度为5℃~25℃,搅拌速度为100~300转/分钟,搅拌1h~4h,得到均匀的悬浊液,其中硝酸银混合液为硝酸银的有机胺溶液或硝酸银的无机氨溶液;
二、将步骤一得到的悬浊液放入反应釜中,控制温度为120℃~180℃进行水热反应,保持5h~72h,然后冷却至室温,再过滤、水洗至中性,烘干,得到粉体;
三、将步骤二得到的粉体加热至温度为400℃~800℃,控制升温速度为1~10℃/min,焙烧2h~8h,得到一种空心磷钨酸银可见光催化剂。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是:步骤一中磷钨酸、醇和水的质量比为2.88:5:5~25。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一不同的是:步骤一中磷钨酸与硝酸银的物质的量之比为0.1~3。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一不同的是:步骤一中所述的硝酸银的无机氨溶液的溶剂为氨水,硝酸银的有机胺溶液的溶剂为乙二胺、三乙胺、乙胺、二乙胺、三乙胺、正丙胺或正丁胺。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式一不同的是:步骤一中磷钨酸为含1~6个结晶水的磷钨酸。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式一不同的是:步骤一中醇为乙醇、甲醇、异丙醇和丁醇中的一种或两种的混合。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式七:本实施方式与具体实施方式一不同的是:步骤二中焙烧气氛为空气。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式八:本实施方式与具体实施方式一不同的是:步骤二中控制烘干温度为100℃。其它与具体实施方式一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果:
实施例一:
本实施例一种空心磷钨酸银可见光催化剂的制备方法,具体是按照以下步骤制备的:
一、将磷钨酸、醇和水混合均匀,再加入硝酸银混合液,然后控制温度为20℃,搅拌速度为200转/分钟,搅拌2h,得到均匀的悬浊液,其中,磷钨酸的质量为2.88g、磷钨酸为含3个结晶水的磷钨酸,醇为乙醇、体积为5mL,水的体积为25mL,硝酸银混合液为硝酸银的氨水溶液、硝酸银的质量为0.51g、氨水的体积为15mL;
二、将步骤一得到的悬浊液放入反应釜中,控制温度为150℃进行水热反应,保持12h,然后冷却至室温,再过滤、水洗至中性,烘干,得到粉体,其中控制烘干温度为100℃;
三、将步骤二得到的粉体加热至温度为400℃~800℃,控制升温速度为2℃/min,焙烧3h,得到一种空心磷钨酸银可见光催化剂。
本实施例制备的空心磷钨酸银可见光催化剂的XRD谱图,如图1所示;UV-vis谱图,如图2所示;能谱图,如图3所示;扫描电镜图,如图4、图5所示;降解2,4-二氯苯酚效率图,如图6所示。
由图1可见,所得磷钨酸银具有很高的结晶度,说明样品的结晶程度较高。图2说明制备的空心磷钨酸银在可见光区有明显的吸收,证明其具有可见光催化活性。图3显示了空心磷钨酸银的能谱图,从图中可以看出样品中含有银、磷、钨、氧元素,说明了磷钨酸银的构成。图4和图5显示了空心磷钨酸银的扫描电镜图像,从图中可以看出,所得磷钨酸银具有多面体微纳结构,此外可以看出其具有空心结构。采用这种方法制备的空心磷钨酸银所具备的大比表面积、高结晶度和空心结构有利于提高可见光催化效率。
空心磷钨酸银粉末光催化剂的光催化活性是通过可见光照射来分解2,4-二氯苯酚水溶液来进行验证。160W氙灯作为外照光源,用420nm的滤光片过滤掉紫外光,光催化反应器的体积为1000毫升,温度为室温,常压,光催化剂的质量为0.1克,为使反应器的各部分的浓度一致,用磁力搅拌器进行搅动。为达吸附平衡,先在暗室保持60分钟,然后打开光源,每隔0.5小时取一次样品,随着光催化反应的进行,2,4-二氯苯酚的浓度逐渐降低,说明2,4-二氯苯酚逐渐被氧化分解。
图6显示了空心磷钨酸银可见光催化降解2,4-二氯苯酚的效率图,从图中可以看出,随着光催化反应时间的延长,降解率逐渐提高,3小时即可将难降解有机污染物2,4-二氯苯酚完全降解,这是由于所合成的空心磷钨酸银具有较大的比表面积和较高的表面酸性,因此具有较多的反应活性中心,此外,高的结晶度也有利于光生电子和空穴分离效率的提高,加上空心结构的传质作用和对可见光的吸收利用,这些因素的协同作用提高了空心磷钨酸银的可见光催化活性。
实施例二:
本实施例一种空心磷钨酸银可见光催化剂的制备方法,具体是按照以下步骤制备的:
一、将磷钨酸、醇和水混合均匀,再加入硝酸银混合液,然后控制温度为20℃,搅拌速度为250转/分钟,搅拌3h,得到均匀的悬浊液,其中,磷钨酸的质量为2.88g、磷钨酸为含3个结晶水的磷钨酸,醇为丁醇、体积为10mL,水的体积为20mL,硝酸银混合液为硝酸银的氨水溶液、硝酸银的质量为0.51g、氨水的体积为15mL;
二、将步骤一得到的悬浊液放入反应釜中,控制温度为150℃进行水热反应,保持12h,然后冷却至室温,再过滤、水洗至中性,烘干,得到粉体,其中控制烘干温度为100℃;
三、将步骤二得到的粉体加热至温度为400℃~800℃,控制升温速度为2℃/min,焙烧3h,得到一种空心磷钨酸银可见光催化剂。
本实施例制备的空心磷钨酸银可见光催化剂同样具有很高的可见光催化活性,其活性明显高于Degussa P25,这主要是由于在其它条件相近的情况下,空心结构有利于传质和较高的表面酸性利于光生载流子的分离,从而提高光催化效率。
实施例三:
本实施例一种空心磷钨酸银可见光催化剂的制备方法,具体是按照以下步骤制备的:
一、将磷钨酸、醇和水混合均匀,再加入硝酸银混合液,然后控制温度为20℃,搅拌速度为300转/分钟,搅拌2h,得到均匀的悬浊液,其中,磷钨酸的质量为2.88g、磷钨酸为含3个结晶水的磷钨酸,醇为乙醇、体积为5mL,水的体积为25mL,硝酸银混合液为硝酸银的三乙胺溶液、硝酸银的质量为0.51g、三乙胺的体积为15mL;
二、将步骤一得到的悬浊液放入反应釜中,控制温度为150℃进行水热反应,保持12h,然后冷却至室温,再过滤、水洗至中性,烘干,得到粉体,其中控制烘干温度为100℃;
三、将步骤二得到的粉体加热至温度为400℃~800℃,控制升温速度为2℃/min,焙烧3h,得到一种空心磷钨酸银可见光催化剂。
本实施例制备的空心磷钨酸银可见光催化剂也显示出比P25高的光催化活性。
实施例四:
本实施例一种空心磷钨酸银可见光催化剂的制备方法,具体是按照以下步骤制备的:
一、将磷钨酸、醇和水混合均匀,再加入硝酸银混合液,然后控制温度为20℃,搅拌速度为100转/分钟,搅拌2h,得到均匀的悬浊液,其中,磷钨酸的质量为2.88g、磷钨酸为含3个结晶水的磷钨酸,醇为乙醇、体积为5mL,水的体积为25mL,硝酸银混合液为硝酸银的乙二胺溶液、硝酸银的质量为0.51g、乙二胺的体积为15mL;
二、将步骤一得到的悬浊液放入反应釜中,控制温度为160℃进行水热反应,保持8h,然后冷却至室温,再过滤、水洗至中性,烘干,得到粉体,其中控制烘干温度为100℃;
三、将步骤二得到的粉体加热至温度为400℃~800℃,控制升温速度为1℃/min,焙烧4h,得到一种空心磷钨酸银可见光催化剂。
本实施例制备的空心磷钨酸银可见光催化剂也显示出比P25高的光催化活性。
实施例五:
本实施例一种空心磷钨酸银可见光催化剂的制备方法,具体是按照以下步骤制备的:
一、将磷钨酸、醇和水混合均匀,再加入硝酸银混合液,然后控制温度为20℃,搅拌速度为200转/分钟,搅拌2h,得到均匀的悬浊液,其中,磷钨酸的质量为2.88g、磷钨酸为含6个结晶水的磷钨酸,醇为异丙醇、体积为5mL,水的体积为25mL,硝酸银混合液为硝酸银的氨水溶液、硝酸银的质量为0.51g、氨水的体积为15mL;
二、将步骤一得到的悬浊液放入反应釜中,控制温度为170℃进行水热反应,保持6h,然后冷却至室温,再过滤、水洗至中性,烘干,得到粉体,其中控制烘干温度为100℃;
三、将步骤二得到的粉体加热至温度为400℃~800℃,控制升温速度为2℃/min,焙烧3h,得到一种空心磷钨酸银可见光催化剂。
本实施例制备的空心磷钨酸银可见光催化剂也显示出比P25高的光催化活性。
实施例六:
本实施例一种空心磷钨酸银可见光催化剂的制备方法,具体是按照以下步骤制备的:
一、将磷钨酸、醇和水混合均匀,再加入硝酸银混合液,然后控制温度为20℃,搅拌速度为280转/分钟,搅拌2h,得到均匀的悬浊液,其中,磷钨酸的质量为2.88g、磷钨酸为含4个结晶水的磷钨酸,醇为乙醇、体积为5mL,水的体积为25mL,硝酸银混合液为硝酸银的氨水溶液、硝酸银的质量为0.51g、氨水的体积为15mL;
二、将步骤一得到的悬浊液放入反应釜中,控制温度为120℃进行水热反应,保持48h,然后冷却至室温,再过滤、水洗至中性,烘干,得到粉体,其中控制烘干温度为100℃;
三、将步骤二得到的粉体加热至温度为400℃~800℃,控制升温速度为2℃/min,焙烧3h,得到一种空心磷钨酸银可见光催化剂。
本实施例制备的空心磷钨酸银可见光催化剂也显示出比P25高的光催化活性。
实施例七:
本实施例一种空心磷钨酸银可见光催化剂的制备方法,具体是按照以下步骤制备的:
一、将磷钨酸、醇和水混合均匀,再加入硝酸银混合液,然后控制温度为20℃,搅拌速度为200转/分钟,搅拌2h,得到均匀的悬浊液,其中,磷钨酸的质量为2.88g、磷钨酸为含1个结晶水的磷钨酸,醇为乙醇、体积为5mL,水的体积为25mL,硝酸银混合液为硝酸银的氨水溶液、硝酸银的质量为0.51g、氨水的体积为15mL;
二、将步骤一得到的悬浊液放入反应釜中,控制温度为140℃进行水热反应,保持36h,然后冷却至室温,再过滤、水洗至中性,烘干,得到粉体,其中控制烘干温度为100℃;
三、将步骤二得到的粉体加热至温度为400℃~800℃,控制升温速度为10℃/min,焙烧5h,得到一种空心磷钨酸银可见光催化剂。
本实施例制备的空心磷钨酸银可见光催化剂具有大比表面积、高结晶度和空心结构等特征,并显示出比P25高的光催化活性。
Claims (8)
1.一种空心磷钨酸银可见光催化剂的制备方法,其特征在于一种空心磷钨酸银可见光催化剂的制备方法,具体是按照以下步骤制备的:
一、将磷钨酸、醇和水混合均匀,再加入硝酸银混合液,然后控制温度为5℃~25℃,搅拌速度为100~300转/分钟,搅拌1h~4h,得到均匀的悬浊液,其中硝酸银混合液为硝酸银的有机胺溶液或硝酸银的无机氨溶液;
二、将步骤一得到的悬浊液放入反应釜中,控制温度为120℃~180℃进行水热反应,保持5h~72h,然后冷却至室温,再过滤、水洗至中性,烘干,得到粉体;
三、将步骤二得到的粉体加热至温度为400℃~800℃,控制升温速度为1~10℃/min,焙烧2h~8h,得到一种空心磷钨酸银可见光催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种空心磷钨酸银可见光催化剂的制备方法,其特征在于步骤一中磷钨酸、醇和水的质量比为2.88:5:5~25。
3.根据权利要求1所述的一种空心磷钨酸银可见光催化剂的制备方法,其特征在于步骤一中磷钨酸与硝酸银的物质的量之比为0.1~3。
4.根据权利要求1所述的一种空心磷钨酸银可见光催化剂的制备方法,其特征在于步骤一中所述的硝酸银的无机氨溶液的溶剂为氨水,硝酸银的有机胺溶液的溶剂为乙二胺、三乙胺、乙胺、二乙胺、三乙胺、正丙胺或正丁胺。
5.根据权利要求1所述的一种空心磷钨酸银可见光催化剂的制备方法,其特征在于步骤一中磷钨酸为含1~6个结晶水的磷钨酸。
6.根据权利要求1所述的一种空心磷钨酸银可见光催化剂的制备方法,其特征在于步骤一中醇为乙醇、甲醇、异丙醇和丁醇中的一种或两种的混合。
7.根据权利要求1所述的一种空心磷钨酸银可见光催化剂的制备方法,其特征在于步骤二中焙烧气氛为空气。
8.根据权利要求1所述的一种空心磷钨酸银可见光催化剂的制备方法,其特征在于步骤二中控制烘干温度为100℃。
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