CN103611560B - 一种TiO2-CaTaO2N复合光催化剂及其制备方法 - Google Patents

一种TiO2-CaTaO2N复合光催化剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种TiO2-CaTaO2N复合光催化剂及其制备方法，属于无机功能材料领域。本发明的技术方案要点为：一种TiO2-CaTaO2N复合光催化剂，是由TiO2与CaTaO2N粉体复合而形成的，其中TiO2与CaTaO2N的摩尔比为6-16:1。本发明还公开了该TiO2-CaTaO2N复合光催化剂的制备方法。本发明TiO2与CaTaO2N的复合可以大大拓宽TiO2的光谱响应范围，使TiO2在可见光区域有良好的吸收，提高了太阳能的利用率；另外，TiO2与CaTaO2N的复合能够有效减小光生电子和空穴的复合概率，提高TiO2的光催化活性。

Description

一种TiO2-CaTaO2N复合光催化剂及其制备方法
技术领域
本发明属于无机环保光催化材料技术领域，具体涉及一种TiO2-CaTaO2N复合光催化剂及其制备方法。
背景技术
随着工业进步和社会发展，工业废水的排放量亦日趋增加，已对人类的生存安全和社会可持续发展构成重大威胁，成了世界性头号环境治理的难题。作为一种高级氧化技术，半导体光催化技术能将许多废水中难分解的有机物彻底矿化，具有反应速度快、降解效率高、操作简单及无二次污染等优点，为工业废水的治理开辟了新途径。在众多的半导体光催化材料中，TiO2光催化剂具有催化活性高、稳定性好、价格便宜、无毒等优良性能，被认为是最具有潜在应用价值的光催化材料。但TiO2禁带宽度为3.2 eV，只有在波长小于387 nm的紫外线下才能激发其催化活性。在到达地面的太阳能中，这一波段的能量尚不足5%，而可见光部分的比例却占到太阳能的45% 左右。此外，TiO2光催化剂在光催化过程中光生电子和空穴容易复合，催化效率低。因此，如何拓宽TiO2光催化剂光谱响应范围、提高其光量子效率成为光催化学科研究的重点和难点。
CaTaO2N是一种过渡金属氧氮化物，由于二价氧元素部分被电负性较小的三价氮元素取代，金属阳离子或多或少被还原，晶体结构发生变化，CaTaO2N因而表现出新的光、电、磁, 力学性能。研究表明，CaTaO2N的禁带宽度为2.4 eV，能吸收波长小于517 nm的可见光。为了拓宽TiO2的光谱响范围，将其与具有理想带隙的CaTaO2N相复合，利用两种半导体之间的能级差能使光生截流子由一种半导体微粒的能级注入到另一种半导体的能级上，使电荷有效分离，是提高TiO2太阳能利用率和光量子效率的有效途径。TiO2光催化剂的导带电势ECB=-0.29 eV，价带电势EVB=2.91 eV，而CaTaO2N光催化剂的导带电势ECB=-1.26 eV，价带电势EVB=1.34 eV。在TiO2/CaTaO2N复合半导体中，CaTaO2N的导带电势更负，光生电子容易从能级低的CaTaO2N导带迁移到能级高的TiO2导带上，同时，TiO2的价带电势更正，光生空穴容易从能级高的TiO2价带迁移到能级低的CaTaO2N价带上，从而提高光生电荷的分离率，扩展了TiO2的光谱响应范围。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种太阳能利用率高，光催化活性好的TiO2-CaTaO2N复合光催化剂。
本发明解决的另一个技术问题是提供了一种操作简单且易于实现的TiO2-CaTaO2N复合光催化剂的制备方法。
本发明的技术方案为：一种TiO2-CaTaO2N复合光催化剂，其特征在于是由TiO2与CaTaO2N粉体复合而形成的TiO2-CaTaO2N复合光催化剂，其中TiO2与CaTaO2N的摩尔比为6-16:1。
本发明所述的TiO2-CaTaO2N复合光催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：（1）将五氯化钽、碳酸钙和柠檬酸按摩尔比1:1:10的比例用无水甲醇配成混合溶液A，在搅拌的条件下在混合溶液A中加入乙二醇形成混合溶液B，其中乙二醇的加入量为混合溶液A中柠檬酸摩尔量的5倍，然后将混合溶液B在30℃的水浴中保持2小时得湿凝胶，湿凝胶经120℃干燥得干凝胶；（2）将步骤（1）所得的干凝胶在空气气氛下500℃煅烧2小时，然后在氨气气氛下1000℃煅烧10小时得CaTaO2N粉体；（2）在搅拌的条件下将钛酸四丁酯和步骤（2）所得CaTaO2N粉体按照摩尔比为6-16:1的比例加入到无水乙醇中形成混合溶液C，其中钛酸四丁酯和无水乙醇的体积比为1:2；（4）将无水乙醇和质量浓度为40%的柠檬酸溶液配成混合溶液D，其中无水乙醇与质量浓度为40%的柠檬酸溶液的体积比为1:1；（5）在搅拌的条件下，按照混合溶液C与混合溶液D中无水乙醇体积比为1:1的比例将混合溶液D滴加到混合溶液C中，水解形成溶胶，继续搅拌得凝胶，凝胶经110℃干燥得干凝胶；（6）将步骤（5）所得干凝胶于450-500℃保持2小时后得到具有高催化活性的TiO2-CaTaO2N复合型光催化剂。
本发明与现有技术相比具有以下显著优点：1、TiO2与CaTaO2N的复合可以大大拓宽TiO2的光谱响应范围，使TiO2在可见光区域有良好的吸收，提高了太阳能的利用率；2、TiO2与CaTaO2N的复合能够有效减小光生电子和空穴的复合概率，提高TiO2的光催化活性；3、本发明TiO2-CaTaO2N复合光催化剂的制备方法简单，易于控制。
附图说明
图1为300 W的高压汞灯照射下，本发明实施例1所制备的TiO2-CaTaO2N复合光催化剂和商用TiO2 (P25)对亚甲基蓝降解情况的对比曲线（操作条件：催化剂量：0.5 g/L，亚甲基蓝的浓度：50 mg/L）。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
（1）将物质的量分别为0.01mol、0.01mol、0.1mol的五氯化钽、碳酸钙和柠檬酸加入到100mL无水甲醇配成混合溶液A，在搅拌的条件下向混合溶液A中加入0.5mol乙二醇得混合溶液B，然后将混合溶液B在30℃的水浴中保持2小时得湿凝胶，湿凝胶经120℃干燥得干凝胶；
（2）将步骤（1）所得的干凝胶在空气气氛下经500℃煅烧2小时，然后在氨气气氛下经1000℃煅烧10小时得CaTaO2N粉体；
（3）在搅拌条件下将21.1mL（0.06mol）的钛酸四丁酯和步骤（2）所得0.01mol的CaTaO2N粉体加入到42.2mL无水乙醇中形成混合溶液C；
（4）将42.2mL无水乙醇和42.2mL质量浓度为40%的柠檬酸溶液配成混合溶液D；
（5）在搅拌的条件下，将混合溶液D滴加到混合溶液C中，水解形成溶胶，继续搅拌得凝胶，凝胶经110℃干燥得干凝胶；
（6）将步骤（5）所得干凝胶转移到马弗炉中在450℃保持2小时后得到具有高催化活性的TiO2-CaTaO2N复合型光催化剂。由图1可以看出制备的TiO2-CaTaO2N复合光催化剂与TiO2光催化剂相比在相同的降解时间下具有较高的降解率，因此TiO2-CaTaO2N复合光催化剂不但提高了光催化活性，具有较好的光催化效果，同时也提高了对太阳能的利用效率。
实施例2
（1）将物质的量分别为0.01mol、0.01mol、0.1mol的五氯化钽、碳酸钙和柠檬酸加入到50mL无水甲醇配成混合溶液A，在搅拌的条件下向混合溶液A中加入0.5mol乙二醇得混合溶液B，然后将混合溶液B在30℃的水浴中保持2小时得湿凝胶，湿凝胶经120℃干燥得干凝胶；
（2）将步骤（1）所得的干凝胶在空气气氛下经500℃煅烧2小时，然后在氨气气氛下经1000℃煅烧10小时得CaTaO2N粉体；
（3）在搅拌条件下将35.2mL（0.1mol）的钛酸四丁酯和步骤（2）所得0.01mol的CaTaO2N粉体加入到70.4mL无水乙醇中形成混合溶液C；
（4）将70.4mL无水乙醇和70.4mL质量浓度为40%的柠檬酸溶液配成混合溶液D；
（5）在搅拌的条件下，将混合溶液D滴加到混合溶液C中，水解形成溶胶，继续搅拌得凝胶，凝胶经110℃干燥得干凝胶；
（6）将步骤（5）所得干凝胶转移到马弗炉中在500℃保持2小时后得到具有高催化活性的TiO2-CaTaO2N复合型光催化剂。
实施例3
（1）将物质的量分别为0.01mol、0.01mol、0.1mol的五氯化钽、碳酸钙和柠檬酸加入到25mL无水甲醇配成混合溶液A，在搅拌的条件下向混合溶液A中加入0.5mol乙二醇得混合溶液B，然后将混合溶液B在30℃的水浴中保持2小时得湿凝胶，湿凝胶经120℃干燥得干凝胶；
（2）将步骤（1）所得的干凝胶在空气气氛下经500℃煅烧2小时，然后在氨气气氛下经1000℃煅烧10小时得CaTaO2N粉体；
（3）在搅拌条件下将56.4mL（0.16mol）的钛酸四丁酯和步骤（2）所得0.01mol的CaTaO2N粉体加入到112.8mL无水乙醇中形成混合溶液C；
（4）将112.8mL无水乙醇和112.8mL质量浓度为40%的柠檬酸溶液配成混合溶液D；
（5）在搅拌的条件下，将混合溶液D滴加到混合溶液C中，水解形成溶胶，继续搅拌得凝胶，凝胶经110℃干燥得干凝胶；
（6）将步骤（5）所得干凝胶转移到马弗炉中在500℃保持2小时后得到具有高催化活性的TiO2-CaTaO2N复合型光催化剂。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。

Claims (1)

1.一种TiO2-CaTaO2N复合光催化剂的制备方法，其特征在于具体包括以下步骤：（1）将五氯化钽、碳酸钙和柠檬酸按摩尔比1:1:10的比例用无水甲醇配成混合溶液A，在搅拌的条件下在混合溶液A中加入乙二醇形成混合溶液B，其中乙二醇的加入量为混合溶液A中柠檬酸摩尔量的5倍，然后将混合溶液B在30℃的水浴中保持2小时得湿凝胶，湿凝胶经120℃干燥得干凝胶；（2）将步骤（1）所得的干凝胶在空气气氛下500℃煅烧2小时，然后在氨气气氛下1000℃煅烧10小时得CaTaO2N粉体；（3）在搅拌的条件下将钛酸四丁酯和步骤（2）所得CaTaO2N粉体按照摩尔比为6-16:1的比例加入到无水乙醇中形成混合溶液C，其中钛酸四丁酯和无水乙醇的体积比为1:2；（4）将无水乙醇和质量浓度为40%的柠檬酸溶液配成混合溶液D，其中无水乙醇与质量浓度为40%的柠檬酸溶液的体积比为1:1；（5）在搅拌的条件下，按照混合溶液C与混合溶液D中无水乙醇体积比为1:1的比例将混合溶液D滴加到混合溶液C中，水解形成溶胶，继续搅拌得凝胶，凝胶经110℃干燥得干凝胶；（6）将步骤（5）所得干凝胶于450-500℃保持2小时后得到具有高催化活性的TiO2-CaTaO2N复合型光催化剂，其中TiO2与CaTaO2N的摩尔比为6-16:1。
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