CN104190455A - 光催化剂磷酸镧及其制备方法和应用 - Google Patents

光催化剂磷酸镧及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种光催化剂磷酸镧（LaPO4）及其制备方法和应用，通过水热法制备的光催化剂磷酸镧（LaPO4）应用于光催化还原二氧化碳和水制甲烷和氢气。这是首次将磷酸镧（LaPO4）应用于光催化领域。本发明制备方法简单，不需要复杂昂贵的设备、合成条件温和，有利于大规模推广。

Description

光催化剂磷酸镧及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于新型材料制备和光催化还原二氧化碳的技术领域，具体涉及光催化剂磷酸镧（LaPO4）及其制备方法和应用。
背景技术
随着能源危机和温室效应等环境问题的日益严重，人类社会的可持续发展面临巨大挑战，如何有效地利用太阳能来实现二氧化碳的固定及转化己引起世界各国的广泛关注。近年来，半导体光催化技术因在二氧化碳的固定及转化方面的重要应用前景，而受到众多领域科学工作者的广泛关注，但由于传统的TiO2基光催化剂存在量子效率低和太阳能利用率低等缺点，制约了光催化技术的实际应用，因而新型高效光催化剂的成功开发设计是利用太阳能实现二氧化碳固定及转化的关键技术之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光催化剂磷酸镧（LaPO4）及其制备方法和应用，其制备方法简单，不需要复杂昂贵的设备、合成条件温和，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：
光催化剂磷酸镧的化学式是LaPO4。
采用水热一步合成法。
具体步骤如下：将作为磷源的化合物固体溶于溶剂中制得磷源溶液；将作为镧源的化合物固体溶于溶剂中制得镧源溶液；在镧源溶液中边搅拌边滴加磷源溶液，继续搅拌30~180分钟，调节混合溶液的pH值，再移入高压反应釜中90~240℃恒温12~24小时，所得沉淀用水和乙醇离心洗涤，至离子浓度<10ppm，40~120℃干燥6~24小时，研磨，得到白色的磷酸镧粉末。
所述的磷源是磷酸钠、磷酸氢钠、磷酸铵、磷酸氢铵中的一种；所述的溶剂是去离子水、乙二醇、乙醇中的一种或两种；所述的镧源是氯化镧、硝酸镧、醋酸镧中的一种；所述的磷源溶液浓度为0.1~1 mol/L，镧源溶液浓度为0.01~0.1 mol/L。
所述的混合溶液的pH值为3-12。
所述的搅拌是磁力搅拌，搅拌速度为400~1000 rad/min。
所述的光催化剂磷酸镧应用于光催化还原二氧化碳和水制甲烷和氢气。
本发明的显著优点在于:
（1）本发明首次将磷酸镧应用于光催化领域，是一种新型的光催化还原二氧化碳和水的光催化剂，能有效地进行光催化反应。
（2）本发明的制备方法简单易行，不需要复杂昂贵的设备、合成条件温和，有利于大规模的推广。
附图说明
图1是本发明的LaPO4的X射线衍射图（XRD）。
图2是本发明的LaPO4的扫描电镜图（SEM）。
图3是本发明的LaPO4作为催化剂光催化还原二氧化碳和水制甲烷和氢气的情况。
具体实施方式
本发明的光催化剂是磷酸镧，应用于光催化还原二氧化碳和水制甲烷和氢气。
该光催化剂的制备方法为水热法:
具体步骤如下：将作为磷源的磷酸钠、磷酸氢钠、磷酸铵、磷酸氢铵中的一种溶于去离子水中制得浓度为0.1~1 mol/L的磷源溶液；将作为镧源的化合物固体氯化镧、硝酸镧或醋酸镧中的一种溶于去离子水中制得浓度为0.01~0.1 mol/L的镧源溶液；在镧源溶液中边搅拌边滴加磷源溶液，再用稀氨水调节反应溶液至不同pH，继续搅拌30~180分钟，移入高压反应釜中90~240℃恒温反应12~24小时，自然冷却至室温，沉淀分别用水和乙醇洗涤离心数次（至离子浓度<10ppm），40~120℃干燥6~24小时得到白色的磷酸镧粉末；所述的搅拌是磁力搅拌，搅拌速度为400~1000 rad/min。
实施例1，LaPO4催化剂的制备
称取0.003 mol (NH4)2HPO4固体溶于30 mL去离子水中制得(NH4)2HPO4溶液；称取0.003 mol La(NO3)3·6H2O固体溶于50 mL去离子水中制得硝酸镧溶液，往硝酸镧溶液中边搅拌边滴加配好的(NH4)2HPO4溶液，再用稀氨水调溶液pH至8，继续搅拌30分钟，将混合液移入高压反应釜中，在180℃下恒温24小时，自然降温至室温，将所得沉淀离心、洗涤、80 ℃常压干燥24小时，研磨，得白色的LaPO4粉末。
实施例2，LaPO4催化剂的制备
称取0.001 mol Na3PO4固体溶于30 mL去离子水中制得Na3PO4溶液；称取0.001 mol La(NO3)3·6H2O固体溶于50 mL去离子水中制得硝酸镧溶液，往硝酸镧溶液中边搅拌边滴加配好的Na3PO4溶液，再用稀氨水调溶液pH至11，继续搅拌60分钟，将混合液移入高压反应釜中，在120℃下恒温12小时，自然降温至室温，将所得沉淀离心、洗涤、60 ℃常压干燥12小时，研磨，得白色的LaPO4粉末。
图1展示了本发明的新型光催化剂LaPO4的X射线衍射图（XRD），从图中可以发现制备的LaPO4为纯相六方晶相的LaPO4（JCPDS: 04-0635）。
图2展示了本发明的新型光催化剂LaPO4的扫描电镜图（SEM），图a为以(NH4)2HPO4为磷源合成的LaPO4样品，样品呈现出直径约为20nm、长度约为0.8-1.5μm的线状形貌；图b为以Na3PO4为磷源合成的LaPO4样品，样品呈现出直径约为18nm的颗粒状形貌。
实施例3，新型光催化剂LaPO4光催化还原二氧化碳和水制甲烷和氢气
光催化还原二氧化碳的反应是在一个常压密闭的体系中进行的，反应器为一个体积为200 ml的圆柱形夹套玻璃反应器，中间的石英套管用于放置紫外光源，反应时通过夹套外的冷凝水维持反应温度在20℃左右。将实施例2制得的光催化剂LaPO4用作光催化剂还原CO2，称取50 mg样品于反应器中，然后加入70 mL H2O，再加入0.5 mL CoCl2 (0.1M)溶液，并通过磁力搅拌器搅拌均匀。反应前整个体系先用机械泵抽真空。真空抽完全后，通入高纯的CO2气体，吸附平衡60 min后开灯。反应过程中的气相产物通过气体进样针手动打入色谱进样口，由在线色谱检测分析。二氧化碳还原的情况如图3所示，还原产物主要为甲烷和氢气，并且产量随光照时间的延长而增大，当光照5小时，甲烷和氢气的产量分别为3.72和2.41 μmol，平均速率分别为0.75和0.48 μmol·h-1。
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 (7)

1.光催化剂磷酸镧，其特征在于：所述的光催化剂磷酸镧的化学式是LaPO4。
2.一种制备如权利要求1所述的光催化剂磷酸镧的方法，其特征在于：采用水热一步合成法。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：具体步骤如下：将作为磷源的化合物固体溶于溶剂中制得磷源溶液；将作为镧源的化合物固体溶于溶剂中制得镧源溶液；在镧源溶液中边搅拌边滴加磷源溶液，继续搅拌30~180分钟，调节混合溶液的pH值，再移入高压反应釜中90~240℃恒温12~24小时，所得沉淀用水和乙醇离心洗涤，至离子浓度<10ppm，40~120℃干燥6~24小时，研磨，得到白色的磷酸镧粉末。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述的磷源是磷酸钠、磷酸氢钠、磷酸铵、磷酸氢铵中的一种；所述的溶剂是去离子水、乙二醇、乙醇中的一种或两种；所述的镧源是氯化镧、硝酸镧、醋酸镧中的一种；所述的磷源溶液浓度为0.1~1 mol/L，镧源溶液浓度为0.01~0.1 mol/L。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述的混合溶液的pH值为3-12。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述的搅拌是磁力搅拌，搅拌速度为400~1000 rad/min。
7.一种如权利要求1所述的光催化剂磷酸镧或如权利要求2所述的方法制得的光催化剂磷酸镧的应用，其特征在于：所述的光催化剂磷酸镧应用于光催化还原二氧化碳和水制甲烷和氢气。
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