CN104874401B - Nd3-xCoxTaO7-沸石复合多孔纳米催化材料的制备及应用 - Google Patents

Nd3-xCoxTaO7-沸石复合多孔纳米催化材料的制备及应用 Download PDF

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Abstract

本发明采用共沉淀‑喷雾干燥法制备新型光催化剂Nd3‑xCoxTaO7(0.5≤x≤1)；采用溶胶‑凝胶法制备Nd3‑xCoxTaO7(0.5≤x≤1)一沸石复合多孔纳米催化材料；采用溶胶凝胶法在普通电极上负载Nd3‑xCoxTaO7，制备新型光电极Nd3‑ xCoxTaO7(0.5≤x≤1)。对上述光催化材料的应用中，通过光源和光催化材料构成的反应系统降解废水中的有机污染物甲基对硫磷、亚甲基蓝、磺胺甲恶唑等，光源为氙灯，使用截止滤光片(λ＞420nm)，采用磁力搅拌，使光催化剂均匀分布在水溶液内，并同时采用充氧曝气；整个光照反应在密闭不透光的环境下进行。此外，利用Nd3‑ xCoxTaO7(0.5≤x≤1)粉末为催化剂，或分别负载Pt、NiO和RuO2辅助催化剂，光源为氙灯或高压汞灯，在密闭的由多个阀门控制的玻璃管路内部照明反应器内进行分解水制取氢气。

Description

Nd3-xCoxTaO7-沸石复合多孔纳米催化材料的制备及应用
技术领域
本发明涉及两种新型光催化剂及一种新型光电极、制备及应用，尤其粉末催化材料Nd3-xCoxTaO7 (0.5≤x≤1)、“Nd3-xCoxTaO7(0.5≤x≤1)-沸石复合多孔纳米催化材料及Nd3-xCoxTaO7(0.5≤x≤1)新型光电极，制备工艺，经光催化去除水体中的有机污染物的应用，及光催化分解水制取氢气的应用。
背景技术
近年来，由于传统化石燃料的广泛使用和现在工业的迅猛发展造成了环境污染、气候变化和能源危机等问题，人们已经意识到未来社会的可持续发展，必须要建立在环境污染治理和可持续能源的开发利用基础上。传统污染治理技术粗略分为两类：生物处理技术和物化处理技术。其中生物处理技术是主要工艺。随着工业的不断发展，环境污染日益严重，人们对环境的要求不断提高，传统处理工艺中的物理方法、生物方法往往不能得到满意的结果。光催化氧化技术是近20年才出现的水处理新技术。它起源于出现能源危机的上世纪七十年代。1972年日本的Fujishima和Honda发现氧化钛单晶电极光解水生成氢气以来，多相-光催化氧化技术引起广泛的兴趣。1977年S.N.Frand用氙灯作光源，发现TiO2、ZnO、CdS能有效催化CN-、 CNO-，TiO2、ZnO、CdS、Fe2O3能有效催化SO3 2-为SO4 2-，并且在TiO2光催化降解有机物方面也取得了满意的效果，从此，光催化氧化有机物技术的研究工作取得了很大进展，出现了众多的研究报告。八十年代后期，随着对环境污染控制研究的日益重视，光催化氧化法被应用于气相和水相中一些难降解污染物的治理研究，并取得了显著的效果。根据已有的研究工作，发现卤代脂肪烃、卤代芳烃、有机酸类、硝基芳烃、取代苯胺、多环芳烃、杂环化合物、其它烃类、酚类、染料、表面活性剂、农药等都能有效地进行光催化反应，最终生成无机小分子物质，消除其对环境的污染以及对人体健康的危害。对于废水中浓度高达每升几千毫克的有机污染物体系，光催化降解均能有效地将污染物降解去除，达到规定的环境标准。目前环境中存在的主要污染物几乎均已尝试用光催化氧化法进行分解。目前，研究最多的半导体材料有TiO2、 ZnO、CdS、WO3、SnO2等。由于TiO2的化学稳定性高、耐腐蚀，且具有较深的价带能级，催化活性好，可以使一些吸热的化学反应在光辐射的TiO2表面得到实现和加速，加之TiO2对人体无毒无害，且成本较低，所以主要以纳米TiO2的光催化研究为主。然而，TiO2也存在着自身的缺陷。TiO2只能利用占太阳光4％的紫外光谱，这在很大程度上限制了光催化技术在环境污染治理中的应用。为了解决这一缺陷，研究者们通过添加掺杂无机元素氮、硫和碳，以及掺杂过渡金属元素等方法试图实现TiO2对太阳能中约43％的可见光的吸收。几种改性途径尽管能使Tio：的吸收谱带红移至可见光区，并具有一定的光催化活性，但量子效率普遍较低，且改性本身存在较多不足。因此为了充分利用太阳能，开发出在可见光下结构和性能都稳定的新型光催化剂成为光催化研究的一个新热点，并取得了一些重要进展。2001年邹志刚等发现了具有可见光响应的新型光催化剂，邹和Arakawa发现了能够分解水的两类具有较高活性的很有前途的光催化剂 ABO4和A2B2O7。例如，邹等合成的InBO4(B＝V、Nb、Ta)能够吸收入＞420nm的可见光，三种光催化剂的禁带宽度分别为1.9eV、2.5eV、2.6eV。在可见光照射下，都能分解水制氢，其中InVO4因为禁带宽度较小，对波长短于600nm的可见光都能显示出一定的光催化活性。SrTiO3是一种较早引起人们注意的钙钦矿结构光催化剂。S.Anuja利用SrTiO3对苯酚进行降解以检验其光催化活性，结果表明SrTiO3与H2O2共同作用下对苯酚降解效果显著。
日本从上世纪80年代即开始进行TiO2光催化材料应用于废水净化处理的深度处理研究，但因为光催化氧化降解水体污染物是在光催化材料表面上进行的二维平面反应，粉末状的TiO2光催化粉末材料在水处理后从水中分离很困难，回收利用更加困难。基于此，薄膜状光催化材料的研究就显得尤为重要，可避免污染水体净化过程中水的二次污染。而利用半导体氧化物薄膜光催化材料来降解水体内有机污染物的研究却鲜见报导。近年来，科学家们在新型可见光光催化材料的研究方面，取得了很多成果：采用Bi12GeO20粉末能有效降解甲基橙等有机物；采用Co3O4/BiVO4可以降解苯酚；采用Ta3N5粒子可以降解亚甲基蓝染料；采用Na2Ta2O6可以降解刚果红染料；采用Bi2GaTaO7可以降解亚甲基蓝染料；采用Fe0.9Ni0.1TaO4和可见光可以分解水制取氢气。付希贤制备的LaFeO3、LaFe1-xCuxO3(x＝0.02、0.05)具有较小的带隙，可以有效利用可见光对水相中的有机物进行光催化降解。邹志刚等人成功地合成了CaBi2O4等新型光催化材料，利用CaBi2O4等新型光催化材料和可见光可以有效地降解水和空气中的甲醛、乙醛、亚甲基蓝和H2S等有害物。朱永法、赵进才等利用自制的新型材料(如Bi2WO6等)快速有效地降解了水相中罗丹明B，其效果较传统方法有大幅度的提高。栾景飞课题组首次成功制备了Ga2BiTaO7粉体光催化降解水体中亚甲基蓝染料， 140分钟后亚甲基蓝被完全降解。因此，扩大光催化材料的光响应范围是提高光催化量子效率的一个有效方法。另外，采用新型可见光响应型光催化材料，可以充分利用太阳光谱中43％的可见光，将水分解为氢气和氧气，进而获得洁净、无二次污染的氢能源，缓解石油和天然气即将枯竭所带来的能源危机。利用这些上述氢能源可以制备燃料电池用于电动汽车和电动自行车等交通工具的能源动力。目前所报道的可见光光催化材料多是粉未状，在悬浮体系中有很好的光催化活性，此外，为了解决悬浮体系中粉末状光催化材料的二次污染问题，急需制备核壳状粉末状光催化材料，目的旨在提高核壳状粉末状光催化材料的回收率，同时也保证核壳状粉末状光催化材料拥有高的光催化量子效率。
综上所述，采用新型的光催化材料，在可见光照射下，不但可以降解水体中的有机污染物，还能制备洁净的氢能源，在一定程度上既解决了环境污染问题，也解决了能源危机。因此，因此开发新型光催化材料去除水体中的有机污染物或分解水制取氢气不但能产生显著的经济效益，而且还能产生巨大的环境效益和社会效益。
发明内容
本发明的目的是：提出一种粉末催化材料Nd3-xCoxTaO7(0.5≤x≤1)制备工艺路线及方法、性能表征及应用。提出一种“光催化剂-沸石复合材料”结构的沸石-Nd3-xCoxTaO7(0.5≤x≤1)制备工艺、性能表征及应用。以及以粉末催化材料Nd3-xCoxTaO7(0.5≤x≤1)为基础的光电极的制备。
本发明的技术方案是：粉末催化材料，如下的结构式：Nd3-xCoxTaO7(0.5≤x≤1)，粉末的粒径为0.04-0.32 微米。
沸石的粒径为0.06-2微米，Nd3-xCoxTaO7(0.5≤x≤1)与沸石复合后粒径为0.09-1.30微米。
利用粉末光催化剂Nd3-xCoxTaO7(0.5≤x≤1)制备光电极。
粉末催化材料的应用，通过Nd3-xCoxTaO7(0.5≤x≤1)粉末为催化剂，或分别负载Pt、NiO和RuO2辅助催化剂，光源为氙灯或高压汞灯，在密闭的由多个阀门控制的玻璃管路内部照明反应器内进行分解水制取氢气及降解有机污染物甲基对硫磷(C9H11Cl3NO3PS)、亚甲基兰(C16H18ClN3S)、磺胺甲噁唑(C10H11N3O3S) 等。
沸石-光催化剂复合材料的催化材料的应用，通过光催化反应体系和沸石-光催化材料构成的反应系统降解废水中的有机污染物甲基对硫磷(C9H11Cl3NO3PS)、亚甲基兰(C16H18ClN3S)、磺胺甲噁唑(C10H11N3O3S) 等，光源为氙灯或高压汞灯；采用沸石-光催化剂复合材料作为催化剂，通过磁力搅拌，上述复合催化剂颗粒在水溶液中呈梯度分布，并且可使其均匀分布在水溶液内上、中、下三层，采用截止滤光片(λ＞420nm)，并同时采用充氧曝气。整个光照反应在密闭不透光的环境下进行。
1、粉末催化材料Nd3-xCoxTaO7(0.5≤x≤1)的制备方法：其特征是：
(1)粉末催化材料Nd3-xCoxTaO7(0.5≤x≤1)的制备：采用共沉淀-喷雾干燥法制备Nd2CoTaO7
1)用电子天平称取0.008mol Nd(NO3)3加入盛有20ml去离子水的100ml烧杯中，放入搅拌子，在磁力搅拌器上搅拌，使之溶解，配成所需要的浓度；
2)用电子天平称取0.004mol Co(NO3)3加入盛有20ml去离子水的100ml烧杯中，用玻璃棒缓慢搅拌，使之溶解，配成所需要的浓度；
3)用电子天平称取0.004mol NaTaO3加入盛有20ml去离子水的100ml烧杯中，用玻璃棒缓慢搅拌，使之溶解，配成所需要的浓度；
4)在不断搅拌的条件下，同时将步骤2和步骤3中所配制的溶液逐滴加入步骤1的溶液中，滴加完毕后，用5％的氨水调节pH＝10，继续反应30min，直到沉淀完全；
5)将步骤4中所得沉淀经布氏漏斗抽滤，然后用去离子水洗涤数次，直至将沉淀洗至中性，弃去滤液。将沉淀加水调浆，然后进行喷雾干燥，得到的粉体即为前驱体粉末。
6)将上述前驱体粉末压制成片，放入高温烧结炉中烧结，升温条件如下：
a.由20℃升温至400℃，升温时间为40±10min；
b.在400℃保温40±10min；
c.由400℃升温至730℃，升温时间为40±10min；
d.在730℃保温480-800min，炉冷。
粉末压片经最高温度730℃保温480-800min后随炉冷却，取出粉末压片粉碎至粒径为0.06-0.31微米，最终制备成功纯净的Nd2CoTaO7粉末光催化材料。
(2)采用微波辅助加热-微乳液法制备粉末光催化材料Nd3-xCoxTaO7(0.5≤x≤1)：
1)用电子天平称取0.008mol Nd(NO3)3加入盛有20ml去离子水的100ml烧杯中，放入搅拌子，在磁力搅拌器上搅拌，使之溶解，配成所需要的浓度；
2)用量筒准确量取35ml正己烷、10ml乙醇、5ml表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚AEO9加入步骤(1)所配制的溶液中，充分搅拌30min；
3)用电子天平称取0.004mol Co(NO3)3加入盛有20ml去离子水的100ml烧杯中，用玻璃棒缓慢搅拌，使之溶解，配成所需要的浓度；
4)用电子天平称取0.004mol NaTaO3加入盛有20ml去离子水的100ml烧杯中，用玻璃棒缓慢搅拌，使之溶解，配成所需要的浓度；
5)在不断搅拌的条件下，同时将步骤4和步骤3中所配制的溶液逐滴加入步骤2的溶液中，滴加完毕后，用5％的氨水调节pH＝10，继续反应30min；
6)将步骤(5)中反应30min后的溶液放入微波炉中老化一段时间，反应条件为800W功率下微波加热 10min；
7)用布氏漏斗抽滤步骤(6)中老化好的反应液，并依次用无水乙醇及浓度为2.1mol/L的(NH4)2CO3水溶液反复洗涤至pH＝8.5，得前驱体；
8)将上述前驱体粉末压制成片，放入高温烧结炉中烧结，升温条件如下：
a.由20℃升温至400℃，升温时间为40±10min；
b.在400℃保温40±10min；
c.由400℃升温至730℃，升温时间为40±10min；
d.在730℃保温480-800min，炉冷。
粉末压片经最高温度730℃保温480-800min后随炉冷却，取出粉末压片粉碎至粒径为0.06-0.31微米，最终制备成功纯净的Nd2CoTaO7粉末光催化材料。
2、Nd2CoTaO7-沸石复合多孔纳米催化材料的制备方法：采用溶胶-凝胶法：
(1)称取7.5g天 然沸石经蒸馏水反复水洗，过滤直至滤液澄清，在100℃烘干12小时。
(2)取150mL圆底烧瓶，加入一定浓度的盐酸溶液，再加蒸馏水稀释至75mL，控制盐酸浓度为0.4mol /L。
(3)加入7.5g沸石，即液固比为10∶1mL/g，水浴加热，在90℃下匀速搅拌4小时，蒸馏水过滤洗涤至Cl-残余，然后在100下煅烧12小时，制得改性天然沸石。
(4)用电子天平称取0.008mol Nd(NO3)3加入盛有20ml去离子水的100ml烧杯中，放入搅拌子，在磁力搅拌器上搅拌，使之溶解，配成所需要的浓度；
(5)用电子天平称取0.004mol Co(NO3)3加入盛有20ml去离子水的100ml烧杯中，用玻璃棒缓慢搅拌，使之溶解，配成所需要的浓度；
(6)用电子天平称取0.004mol NaTaO3加入盛有20ml去离子水的100ml烧杯中，用玻璃棒缓慢搅拌，使之溶解，配成所需要的浓度；
(7)在不断搅拌的条件下，同时将步骤5和步骤6中所配制的溶液逐滴加入步骤1的溶液中，滴加完毕后，加入1.0g步骤3中所得经过改性的天然沸石，用5％的氨水调节pH＝10，继续反应30min，直到沉淀完全；
(8)将步骤4中所得沉淀经布氏漏斗抽滤，然后用去离子水洗涤数次，直至将沉淀洗至中性，弃去滤液。将沉淀加水调浆，然后进行喷雾干燥，得到的粉体即为前驱体粉末。
(9)将上述前驱体粉末压制成片，放入高温烧结炉中烧结，升温条件如下：
a.由20℃升温至400℃，升温时间为40±10min；
b.在400℃保温40±10min；
c.由400℃升温至730℃，升温时间为40±10min；
d.在730℃保温480-800min，炉冷。
粉末压片经最高温度730℃保温480-800min后随炉冷却，取出粉末压片粉碎至粒径为0.06-0.31微米，最终制备成功与改性沸石复合的Nd2CoTaO7粉末光催化材料。
3、光电极的制备方法：
(1)用玻璃刀将ITO导电玻璃(10Ω/cm2)切割成面积为2cm x 5cm大小状，分别放入丙酮和乙醇中超声清洗20min，然后将ITO玻璃放在10wt％的HNO3溶液中活化，最后用去离子水反复冲洗，瞭干备用。
(2)溶液的配置：用电子天平准确称取0.004mol NaTaO3溶于50mL的去离子水中，揽拌至完全溶解后，加入0.025mol的H2O2，揽拌约5min，然后在搅拌条下加入30mL的异丙醇。最后用2mol/L的HNO3溶液调节溶液PH＝1.20-1.40，再加入一定量的去离子水，定容至溶液最终体积为100ml，得到澄清的溶液。
(3)电沉积过程：将上述步骤2配好的溶液作为电解液，电沉积采用传统的三电极体系。饱和的甘汞电极(SCE)为参比电极，铂片(Pt)(面积2cm x 2cm)电极为对电极，处理过的ITO导电玻璃为工作电极。电沉积过程在室温下进行，沉积电压为-0.6V vs.SCE，控制沉积时间，使电沉积所消耗的电量约为-25C。电沉积完成后，ITO导电玻璃上均匀沉积上了一层无定形的淡黄色的薄膜，用去离子水反复冲洗，在空气中惊干。
(4)用电子天平准确称取0.004mol Co(NO3)3置于100ml烧杯中，加入50ml去离子水，搅拌至完全溶解；
(5)浸渍：将上述步骤3制得的无定形：薄膜置于步骤4中配置的Co(NO3)3水溶液中渍，浸清时间为60min；
(6)退火：将上述步骤5浸渍得到的薄膜置于马弗炉中进行退火，退火温度为450℃，时间为3h，升温速率约为2℃/min；
(7)用电子天平准确称取0.004mol Nd(NO3)3置于100ml烧杯中，加入50ml去离子水，搅拌至完全溶解；
(8)二次浸渍：将上述步骤6制得的无定形：薄膜置于步骤7中配置的Co(NO3)3水溶液中渍，浸清时间为60 min；
(9)二次退火：将上述步骤8浸渍得到的薄膜置于马弗炉中进行退火，退火温度为450℃，时间为3h，升温速率约为2℃/min；最终成功制备Nd2CoTaO7光电极。
4、Nd2CoTaO7的性能表征
通过XRD、XPS结果得知Nd2CoTaO7为单相(见图1和图4)，且实验原始材料高度纯净，无任何杂质相。从其TEM图来看，催化剂呈不规则形貌(见图3)。通过X射线荧光光谱仪及SEM-EDS测定Nd2CoTaO7的平均原子摩尔百分比为Nd∶Co∶Ta∶O＝2.00∶0.96∶1.03∶6.96。用Rietveld软件对Nd2CoTaO7的XRD结果进行结构精修，结构精修因子RP值为RP＝9.35％。Nd2CoTaO7的空间群为Fd-3m，结构为立方晶系，烧绿石结构，晶胞参数为Nd2CoTaO7各衍射峰的晶面指数(hkl)被标定。Nd2CoTaO7催化剂中各个原子的空间原子位置参数被确定(见表1)。采用紫外可见漫反射光谱仪对Nd2CoTaO7在光的照射下产生的特征吸收边进行测定(见图2)，获得Nd2CoTaO7的带隙宽度为1.696eV。采用X射线光电子能谱仪测定Nd2CoTaO7的X射线光电子能谱(见表2)，由表2可知Nd、Co、Ta、O的化合价分别为+3、+3、+5、-2。同时获得Nd2CoTaO7的能带结构，导带由Co的4f轨道，Nd的3d轨道和Ta的5p轨道构成，价带由O的2p轨道构成 (见图5)。
表1.Nd2CoTaO7内各原子的空间位置坐标
表2.Nd2CoTaO7的XPS图谱内各主要元素的结合能峰值(eV)
附图说明
图1.Nd2CoTaO7的实测XRD数据
由图得知Nd2CoTaO7为单相，且实验原始材料高度纯净，无任何杂质相。
图2.Nd2CoTaO7的漫反射吸收图谱
由图得知Nd2CoTaO7的带隙宽度为1.696eV。
图3.Nd2CoTaO7的透射电镜图谱图
从图中观察到催化剂呈不规则形貌，粒径为0.06-0.31微米。
图4.Nd2CoTaO7的X-射线光电子能谱图
通过对Nd2CoTaO7的X-射线光电子能谱图的数据分析，可得Nd、Co、Ta、O的化合价分别为+3、+3、 +5、-2。
图5.Nd2CoTaO7的能带结构
从图中获得Nd2CoTaO7的能带结构，导带由Co的4f轨道，Nd的3d轨道和Ta的5p轨道构成，价带由O的2p轨道构成。
具体实施方式
制备粉末催化材料Nd3-xCoxTaO7(0.5≤x≤1)；此外，制备沸石与光催化剂复合的“沸石-光催化剂”结构的 Nd3-xCoxTaO7(0.5≤x≤1)复合材料；以及以Nd3-xCoxTaO7为基底的新型光电极。
(1)制备能够在可见光波段或紫外光波段响应的新型光催化剂Nd3-xCoxTaO7(0.5≤x≤1)；制备能够在可见光波段或紫外光波段响应的新型“沸石-光催化剂”结构的Nd3- xCoxTaO7(0.5≤x≤1)复合材料。采用紫外-可见分光光度计和紫外-可见漫反射光谱仪对上述制备的新型催化剂在可见光(或紫外光)照射下产生的吸收谱进行了测定，表征了其光吸收性质。测定了上述新型催化剂X射线光电子能谱(XPS)，探讨了上述新型催化剂表面的电子层结构特征及在磁场作用下催化剂晶体内电子和空穴的输运机制，分析了磁性颗粒表面负载的催化剂各微区元素组成，并结合理论计算结果分析了上述新型催化剂的能级结构及电子态密度。
(2)采用X射线衍射仪(XRD)对上述本发明催化剂进行了物相分析；采用透射电镜(TEM)分析了上述本发明催化剂的微观结构特征；利用扫描电镜(SEM)对上述本发明催化剂进行了组织形貌分析，并结合扫描电镜能谱(SEM-EDS)和X射线光电子能谱(XPS)测定了它们的成分组成，揭示了催化剂表面的电子层结构特征。深层次揭示了新型光催化剂的微观结构对光催化降解有机污染物效率的影响规律。
在可见光(或紫外光)照射下降解水体内甲基对硫磷、亚甲基蓝、磺胺甲恶唑等难降解有机污染物的过程中，通过液相色谱/质谱(LC/MS)联用仪及离子色谱仪，测试跟踪了降解上述有机污染物过程中的中间产物和最终产物，获得了在新型沸石-光催化剂复合催化剂颗粒作用下，在可见光(或紫外光)照射下降解水体内多种有机污染物的可能途径，揭示了水体内甲基对硫磷、亚甲基蓝、磺胺甲恶唑等有机污染物的降解机制。
采用单波长可见光(或紫外光)照射水体内甲基对硫磷、亚甲基蓝、磺胺甲恶唑等有机污染物，通过试验研究结果及理论计算成功推导出参与光催化降解反应的光生电荷(光生电子或者光生空穴)数量，进而推导出参与反应的可见光(或紫外光)光子数，结合计算出的入射光总光子数，最终得出在单波长可见光(或紫外光)作用下降解水体中甲基对硫磷、亚甲基蓝、磺胺甲恶唑等有机污染物的光量子效率。
具体实施方式
1、粉末催化材料Nd3-xCoxTaO7(0.5≤x≤1)的制备方法：其特征是：
(1)粉末催化材料Nd3-xCoxTaO7(0.5≤x≤1)的制备：采用共沉淀-喷雾干燥法制备Nd2CoTaO7
1)用电子天平称取0.008mol Nd(NO3)3加入盛有20ml去离子水的100ml烧杯中，放入搅拌子，在磁力搅拌器上搅拌，使之溶解，配成所需要的浓度；
2)用电子天平称取0.004mol Co(NO3)3加入盛有20ml去离子水的100ml烧杯中，用玻璃棒缓慢搅拌，使之溶解，配成所需要的浓度；
3)用电子天平称取0.004mol NaTaO3加入盛有20ml去离子水的100ml烧杯中，用玻璃棒缓慢搅拌，使之溶解，配成所需要的浓度；
4)在不断搅拌的条件下，同时将步骤2和步骤3中所配制的溶液逐滴加入步骤1的溶液中，滴加完毕后，用5％的氨水调节pH＝10，继续反应30min，直到沉淀完全；
5)将步骤4中所得沉淀经布氏漏斗抽滤，然后用去离子水洗涤数次，直至将沉淀洗至中性，弃去滤液。将沉淀加水调浆，然后进行喷雾干燥，得到的粉体即为前驱体粉末。
6)将上述前驱体粉末压制成片，放入高温烧结炉中烧结，升温条件如下：
a.由20℃升温至400℃，升温时间为40±10min；
b.在400℃保温40±10min；
c.由400℃升温至730℃，升温时间为40±10min；
d.在730℃保温480-800min，炉冷。
粉末压片经最高温度730℃保温480-800min后随炉冷却，取出粉末压片粉碎至粒径为0.06-0.31微米，最终制备成功纯净的Nd2CoTaO7粉末光催化材料。
(2)采用微波辅助加热-微乳液法制备粉末光催化材料Nd3-xCoxTaO7(0.5≤x≤1)：
1)用电子天平称取0.008mol Nd(NO3)3加入盛有20ml去离子水的100ml烧杯中，放入搅拌子，在磁力搅拌器上搅拌，使之溶解，配成所需要的浓度；
2)用量筒准确量取35ml正己烷、10ml乙醇、5ml表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚AEO9加入步骤(1)所配制的溶液中，充分搅拌30min；
3)用电子天平称取0.004mol Co(NO3)3加入盛有20ml去离子水的100ml烧杯中，用玻璃棒缓慢搅拌，使之溶解，配成所需要的浓度；
4)用电子天平称取0.004mol NaTaO3加入盛有20ml去离子水的100ml烧杯中，用玻璃棒缓慢搅拌，使之溶解，配成所需要的浓度；
5)在不断搅拌的条件下，同时将步骤4和步骤3中所配制的溶液逐滴加入步骤2的溶液中，滴加完毕后，用5％的氨水调节pH＝10，继续反应30min；
6)将步骤(5)中反应30min后的溶液放入微波炉中老化一段时间，反应条件为800W功率下微波加热 10min；
7)用布氏漏斗抽滤步骤(6)中老化好的反应液，并依次用无水乙醇及浓度为2.1mol/L的(NH4)2CO3水溶液反复洗涤至pH＝8.5，得前驱体；
8)将上述前驱体粉末压制成片，放入高温烧结炉中烧结，升温条件如下：
a.由20℃升温至400℃，升温时间为40±10min；
b.在400℃保温40±10min；
c.由400℃升温至730℃，升温时间为40±10min；
d.在730℃保温480-800min，炉冷。
粉末压片经最高温度730℃保温480-800min后随炉冷却，取出粉末压片粉碎至粒径为0.06-0.31微米，最终制备成功纯净的Nd2CoTaO7粉末光催化材料。
2、Nd2CoTaO7-沸石复合多孔纳米催化材料的制备方法：采用溶胶-凝胶法：
(1)称取7.5g天然沸石经蒸馏水反复水洗，过滤直至滤液澄清，在100℃烘干12小时。
(2)取150mL圆底烧瓶，加入一定浓度的盐酸溶液，再加蒸馏水稀释至75mL，控制盐酸浓度为0.4mol /L。
(3)加入7.5g沸石，即液固比为10∶1mL/g，水浴加热，在90℃下匀速搅拌4小时，蒸馏水过滤洗涤至Cl-残余，然后在100下煅烧12小时，制得改性天然沸石。
(4)用电子天平称取0.008mol Nd(NO3)3加入盛有20mL去离子水的100mL烧杯中，放入搅拌子，在磁力搅拌器上搅拌，使之溶解，配成所需要的浓度；
(5用电子天平称取0.004mol Co(NO3)3加入盛有20mL去离子水的100mL烧杯中，用玻璃棒缓慢搅拌，使之溶解，配成所需要的浓度；
(6)用电子天平称取0.004mol NaTaO3加入盛有20mL去离子水的100mL烧杯中，用玻璃棒缓慢搅拌，使之溶解，配成所需要的浓度；
(7)在不断搅拌的条件下，同时将步骤5和步骤6中所配制的溶液逐滴加入步骤1的溶液中，滴加完毕后，加入1.0g步骤3中所得经过改性的天然沸石，用5％的氨水调节pH＝10，继续反应30min，直到沉淀完全；
(8)将步骤4中所得沉淀经布氏漏斗抽滤，然后用去离子水洗涤数次，直至将沉淀洗至中性，弃去滤液。将沉淀加水调浆，然后进行喷雾干燥，得到的粉体即为前驱体粉末。
(9)将上述前驱体粉末压制成片，放入高温烧结炉中烧结，升温条件如下：
a.由20℃升温至400℃，升温时间为40±10min；
b.在400℃保温40±10min；
c.由400℃升温至730℃，升温时间为40±10min；
d.在730℃保温480-800min，炉冷。
粉末压片经最高温度730℃保温480-800min后随炉冷却，取出粉末压片粉碎至粒径为0.06-0.31微米，最终制备成功与改性沸石复合的Nd2CoTaO7粉末光催化材料。
3、光电极的制备方法：
(1)用玻璃刀将ITO导电玻璃(10Ω/cm2)切割成面积为2cm x 5cm大小状，分别放入丙酮和乙醇中超声清洗20min，然后将ITO玻璃放在10wt％的HNO3溶液中活化，最后用去离子水反复冲洗，瞭干备用。
(2)溶液的配置：用电子天平准确称取0.004mol NaTaO3溶于50mL的去离子水中，揽拌至完全溶解后，加入0.025mol的H2O2，揽拌约5min，然后在搅拌条下加入30mL的异丙醇。最后用2mol/L的HNO3溶液调节溶液PH＝1.20-1.40，再加入一定量的去离子水，定容至溶液最终体积为100mL，得到澄清的溶液。
(3)电沉积过程：将上述步骤2配好的溶液作为电解液，电沉积采用传统的三电极体系。饱和的甘汞电极(SCE)为参比电极，铂片(Pt)(面积2cm x 2cm)电极为对电极，处理过的ITO导电玻璃为工作电极。电沉积过程在室温下进行，沉积电压为-0.6V vs.SCE，控制沉积时间，使电沉积所消耗的电量约为-25C。电沉积完成后，ITO导电玻璃上均匀沉积上了一层无定形的淡黄色的薄膜，用去离子水反复冲洗，在空气中惊干。
(4)用电子天平准确称取0.004mol Co(NO3)3置于100mL烧杯中，加入50mL去离子水，搅拌至完全溶解；
(5)浸渍：将上述步骤3制得的无定形：薄膜置于步骤4中配置的Co(NO3)3水溶液中渍，浸清时间为60min；
(6)退火：将上述步骤5浸渍得到的薄膜置于马弗炉中进行退火，退火温度为450℃，时间为3h，升温速率约为2℃/min；
(7)用电子天平准确称取0.004mol Nd(NO3)3置于100mL烧杯中，加入50mL去离子水，搅拌至完全溶解；
(8)二次浸渍：将上述步骤6制得的无定形：薄膜置于步骤7中配置的Co(NO3)3水溶液中渍，浸清时间为60 min；
(9)二次退火：将上述步骤8浸渍得到的薄膜置于马弗炉中进行退火，退火温度为450℃，时间为3h，升温速率约为2℃/min；最终成功制备Nd2CoTaO7光电极。
4、光催化反应系统的建立
粉末光催化剂及“沸石——光催化剂”结构的复合催化材料的应用，通过光源、搅拌系统和光催化材料构成的反应系统降解废水，光源为氙灯或高压汞灯；采用粉末光催化剂Nd3-xCoxTaO7(0.5≤x≤1)及 Nd3-xCoxTaO7(0.5≤x≤1)——沸石复合多孔纳米材料作为催化剂，上述催化剂颗粒在水溶液中呈梯度分布，并且可使其均匀分布在水溶液内，采用截止滤光片(λ＞420nm)，并同时采用充氧曝气。整个光照反应在密闭不透光的环境下进行。光源为300W氙灯和400W高压汞灯。选择水中典型难降解有机污染物甲基对硫磷、亚甲基兰、磺胺甲恶唑作为目标降解物。
通过磁力搅拌子控制催化剂颗粒在含有有机物的水溶液中呈梯度分布，进而使磁性颗粒表面包覆的光催化剂能够与有机污染物及光源充分接触，在可见光(或紫外光)照射下有机污染物能够被高效率地降解。
催化材料的应用，还在于通过Nd2CoTaO7粉末及Nd3-xCoxTaO7(0.5≤x≤1)——沸石复合多孔纳米材料为催化剂，或分别负载Pt，NiO和RuO2辅助催化剂，光源为氙灯或高压汞灯，在密闭的由多个阀门控制的玻璃管路内部照明反应器内进行分解水制取氢气。
5、Nd2CoTaO7的性能表征
通过XRD、XPS结果得知Nd2CoTaO7为单相(见图1和图4)，且实验原始材料高度纯净，无任何杂质相。从其TEM图来看，催化剂呈不规则形貌(见图3)。通过X射线荧光光谱仪及SEM-EDS测定Nd2CoTaO7的平均原子摩尔百分比为Nd∶Co∶Ta∶O＝2.00∶0.96∶1.03∶6.96。用Rietveld软件对Nd2CoTaO7的XRD结果进行结构精修，结构精修因子RP值为RP＝9.35％。Nd2CoTaO7的空间群为Fd-3m，结构为立方晶系，烧绿石结构，晶胞参数为Nd2CoTaO7各衍射峰的晶面指数(hkl)被标定。Nd2CoTaO7催化剂中各个原子的空间原子位置参数被确定(见表1)。采用紫外可见漫反射光谱仪对Nd2CoTaO7在光的照射下产生的特征吸收边进行测定(见图2)，获得Nd2CoTaO7的带隙宽度为1.696eV。采用X射线光电子能谱仪测定Nd2CoTaO7的X射线光电子能谱(见表2)，由表2可知Nd、Co、Ta、O的化合价分别为+3、+3、+5、-2。同时获得Nd2CoTaO7的能带结构，导带由Co的4f轨道，Nd的3d轨道和Ta的5p轨道构成，价带由O的2p轨道构成 (见图5)。
应用实例
本次实验采用的新型光催化反应器由氙灯和卤灯光源、石英玻璃器件、电源控制器、钢罩、泵、循环冷却水系统、各种通水管路器件等材料构成。利用上述上述制备的Nd2CoTaO7及Nd2CoTaO7-沸石复合催化材料作为催化剂，在可见光照射下降解废水中的目标污染物。光源为500W氙灯。选择水中典型难降解有机污染物甲基对硫磷、亚甲基兰和磺胺甲恶唑作为目标污染物。光催化降解水中有机污染物亚甲基兰和磺胺甲恶唑过程中，结合GC-MS、LC-MS、HPLC、GC、TOC等现代分析仪器探索Nd2CoTaO7-沸石-可见光(或紫外光)优化组合技术降解目标有机污染物过程中的光催化量子效率、目标污染物的降解效率、反应动力学、光催化氧化的协同效应，鉴定目标污染物在光催化降解过程中的中间产物和最终产物，探讨其光催化降解机理。
1、采用Nd2CoTaO7粉末催化剂光催化降解目标污染物实验
(1)采用Nd2CoTaO7粉末降解废水中的甲基对硫磷(C8H10NO5PS)
将Nd2CoTaO7粉末0.8g，放入300mL甲基对硫磷水溶液中形成悬浮体系，甲基对硫磷水溶液的初始浓度为0.03mmol L-1，初始pH值为7。选取500W的氙灯照射甲基对硫磷溶液，配上截止滤光片(λ＞420nm)。入射光光照强度为4.76×10-6Einstein L-1s-1。实验过程中，用磁力搅拌器和充氧曝气的方式维持催化剂粉末呈悬浮状态。整个光照反应在密闭不透光的环境下进行。以Nd2CoTaO7粉末为催化剂，在可见光照射下，随着照射时间的延长，甲基对硫磷的浓度逐渐降低，总有机碳(TOC)浓度也逐渐降低，经分钟，甲基对硫磷的去除率为100％，总有机碳TOC的去除率(矿化率)达％，CO2的产量为0.06893mmol，甲基对硫磷浓度与时间的一级动力学常数Kc为0.01538min-1，总有机碳与时间的一级动力学常数KTOC为min-1。详尽的数据见表3。
表3.以Nd2CoTaO7粉末为催化剂降解甲基对硫磷所获得的相关数据
(2)采用Nd2CoTaO7粉末降解废水中的亚甲基兰
将Nd2CoTaO7粉末0.8g，放入300mL亚甲基兰水溶液中形成悬浮体系，亚甲基兰水溶液的初始浓度为 0.03mmol L-1，初始pH值为7。选取500W的氙灯照射亚甲基兰溶液，配上截止滤光片(λ＞420nm)。入射光光照强度为4.76×10-6Einstein L-1s-1。实验过程中，用磁力搅拌器和充氧曝气的方式维持催化剂粉末呈悬浮状态。整个光照反应在密闭不透光的环境下进行。以Nd2CoTaO7粉末为催化剂，在可见光照射下，随着照射时间的延长，亚甲基兰的浓度逐渐降低，总有机碳(TOC)浓度也逐渐降低，经320分钟，亚甲基兰的去除率为100％，总有机碳TOC的去除率(矿化率)达99.66％，CO2的产率为0.1392mmol，亚甲基兰浓度与时间的一级动力学常数Kc为0.01469min-1，总有机碳与时间的一级动力学常数KTOC为0.01468min-1。详尽的数据见表4。
表4.以Nd2CoTaO7粉末为催化剂降解亚甲基兰所获得的相关数据
(3)采用Nd2CoTaO7粉末降解废水中的磺胺甲恶唑
将Nd2CoTaO7粉末0.8g，放入300mL磺胺甲恶唑水溶液中形成悬浮体系，磺胺甲恶唑水溶液的初始浓度为0.03mmol L-1，初始pH值为7。选取500W的氙灯照射磺胺甲恶唑溶液，配上截止滤光片(λ＞420nm)。入射光光照强度为4.76×10-6Einstein L-1s-1。实验过程中，用磁力搅拌器和充氧曝气的方式维持催化剂粉末呈悬浮状态。整个光照反应在密闭不透光的环境下进行。以Nd2CoTaO7粉末为催化剂，在可见光照射下，随着照射时间的延长，磺胺甲恶唑的浓度逐渐降低，总有机碳(TOC)浓度也逐渐降低，经370分钟，磺胺甲恶唑的去除率为100％，总有机碳TOC的去除率(矿化率)达99.69％，CO2的产量为0.08703mmol，磺胺甲恶唑浓度与时间的一级动力学常数Kc为0.01562min-1，总有机碳与时间的一级动力学常数KTOC为0.01013 min-1。详尽的数据见表5。
表5.以Nd2CoTaO7粉末为催化剂降解磺胺甲恶唑所获得的相关数据
(4)采用Nd2CoTaO7-沸石复合催化材料降解废水中的甲基对硫磷(C8H10NO5PS)
采用Nd2CoTaO7-沸石复合催化材料作为催化剂，选择水中典型难降解的甲基对硫磷作为目标降解物。甲基对硫磷水溶液的初始浓度为0.03mmol L-1，将0.8g Nd2CoTaO7-沸石复合催化材料粉末放入300mL甲基对硫磷水溶液中形成悬浮体系，初始pH值为7。选取500W的氙灯照射甲基对硫磷溶液，配上截止滤光片 (λ＞420nm)。入射光光照强度为4.76×10-6Einstein L-1s-1。实验过程中，同样采用充氧曝气。整个光照反应在密闭不透光的环境下进行。结果表明以Nd2CoTaO7-沸石复合催化材料作为催化剂在可见光照射下，随着照射时间的延长，甲基对硫磷的浓度逐渐降低，总有机碳(TOC)浓度也逐渐降低，在可见光照射经分钟后，甲基对硫磷的去除率达到100％；在可见光照射经分钟后，甲基对硫磷的去除率达到100％，总有机碳TOC的去除率(矿化率)达％，CO2的产率为0.0689mmol，甲基对硫磷浓度与时间的一级动力学常数Kc为0.01507min-1，总有机碳与时间的一级动力学常数KTOC为min-1。详尽的数据见表6。
表6.采用Nd2CoTaO7-沸石复合催化材料为催化剂降解甲基对硫磷所获得的相关数据
(5)采用Nd2CoTaO7-沸石复合催化材料降解废水中的亚甲基兰
采用Nd2CoTaO7-沸石复合催化材料作为催化剂，选择水中典型难降解的亚甲基兰作为目标降解物。亚甲基兰水溶液的初始浓度为0.03mmol L-1，将0.8g Nd2CoTaO7-沸石复合催化材料粉末放入300mL亚甲基兰水溶液中形成悬浮体系，初始pH值为7。选取500W的氙灯照射亚甲基兰溶液，配上截止滤光片(λ＞420 nm)。入射光光照强度为4.76×10- 6Einstein L-1s-1。实验过程中，同样采用充氧曝气。整个光照反应在密闭不透光的环境下进行。结果表明以Nd2CoTaO7-沸石复合催化材料作为催化剂在可见光照射下，随着照射时间的延长，亚甲基兰的浓度逐渐降低，总有机碳(TOC)浓度也逐渐降低，在可见光照射经290分钟后，亚甲基兰的去除率达到100％；在可见光照射经320分钟后，总有机碳TOC的去除率(矿化率)达99.86％，CO2的产率为0.13948mmol，亚甲基兰浓度与时间的一级动力学常数Kc为0.01305min-1，总有机碳与时间的一级动力学常数KTOC为0.01719min-1。详尽的数据见表7。
表7.采用Nd2CoTaO7-沸石复合催化材料为催化剂降解亚甲基兰所获得的相关数据
(6)采用Nd2CoTaO7-沸石复合催化材料降解废水中的磺胺甲恶唑
采用Nd2CoTaO7-沸石复合催化材料作为催化剂，选择水中典型难降解的磺胺甲恶唑作为目标降解物。磺胺甲恶唑水溶液的初始浓度为0.03mmol L-1，将0.8gNd2CoTaO7-沸石复合催化材料粉末放入300mL磺胺甲恶唑水溶液中形成悬浮体系，初始pH值为7。选取500W的氙灯照射磺胺甲恶唑溶液，配上截止滤光片 (λ＞420nm)。入射光光照强度为4.76×10- 6Einstein L-1s-1。实验过程中，同样采用充氧曝气。整个光照反应在密闭不透光的环境下进行。结果表明以Nd2CoTaO7-沸石复合催化材料作为催化剂在可见光照射下，随着照射时间的延长，磺胺甲恶唑的浓度逐渐降低，总有机碳(TOC)浓度也逐渐降低，在可见光照射经340分钟后，磺胺甲恶唑的去除率达到100％；在可见光照射经370分钟后，总有机碳TOC的去除率(矿化率) 达99.90％，CO2的产量为0.08631mmol，磺胺甲恶唑浓度与时间的一级动力学常数Kc为0.01339min-1，总有机碳与时间的一级动力学常数KTOC为0.01357min-1。详尽的数据见表8。
表8.采用Nd2CoTaO7-沸石复合催化材料为催化剂降解磺胺甲恶唑所获得的相关数据
2、采用Nd2CoTaO7分解水制取氢气
在密闭的由多个阀门控制的玻璃管路内部照明反应器内进行分解水制取氢气实验，照射光源采用500W 的氙灯(入射光通量为4.76×10-6Einstein L-1s-1，420nm截止滤光片)，在300mL(16.65mol)纯水中放入 Nd2CoTaO7粉末0.8g。溢出的氢气产率采用带有TCD的气相色谱-质谱联用仪测定，该气相色谱-质谱联用仪和密闭环路内部照明反应器相连。在反应之前密闭环路内部照明反应器内各种气体被去除，氩气被充入该反应器，直到反应器内的氧气和氮气被完全去除。在氙灯照射下24小时后，氢气的产量为11.88毫摩尔，经计算分解水制取氢气的量子效率为2.91％。如表9所示，随着光照时间的延长，氢气的产率逐渐升高。
表9.以Nd2CoTaO7粉末为催化剂，在可见光照射下分解水制取氢气所获得的相关数据
(1)采用Nd2CoTaO7-沸石复合催化材料分解水制取氢气
在密闭的由多个阀门控制的玻璃管路内部照明反应器内进行分解水制取氢气实验，照射光源采用500 W的氙灯(入射光通量为4.76×10-6Einstein L-1s-1，420nm截止滤光片)，在300mL(16.65mol)纯水中放入 Nd2CoTaO7-沸石复合催化材料粉末0.8g。溢出的氢气产率采用带有TCD的气相色谱-质谱联用仪测定，该气相色谱-质谱联用仪和密闭环路内部照明反应器相连。在反应之前密闭环路内部照明反应器内各种气体被去除，氩气被充入该反应器，直到反应器内的氧气和氮气被完全去除。在氙灯照射下24小时后，氢气的产量为17.18毫摩尔，经计算分解水制取氢气的量子效率为4.02％。如表10所示，随着光照时间的延长，氢气的产率逐渐升高。
表10.以Nd2CoTaO7-沸石复合催化材料粉末为催化剂，在可见光照射下分解水制取氢气所获得的相关数据

Claims (5)

1.一种粉末催化材料，其特征在于，粉末催化材料有如下的结构式：Nd3-xCoxTaO7，其中x＝1，
粉末催化材料Nd3-xCoxTaO7的制备方法采用共沉淀-喷雾干燥法或采用微波辅助加热-微乳液法：
(1)采用共沉淀-喷雾干燥法制备粉末光催化材料Nd3-xCoxTaO7，其中x＝1：
1)用电子天平称取0.008mol Nd(NO3)3加入盛有20mL去离子水的100mL烧杯中，放入搅拌子，在磁力搅拌器上搅拌，使之溶解，配成所需要的浓度；
2)用电子天平称取0.004mol Co(NO3)3加入盛有20mL去离子水的100mL烧杯中，用玻璃棒缓慢搅拌，使之溶解，配成所需要的浓度；
3)用电子天平称取0.004mol NaTaO3加入盛有20mL去离子水的100mL烧杯中，用玻璃棒缓慢搅拌，使之溶解，配成所需要的浓度；
4)在不断搅拌的条件下，同时将步骤2)和步骤3)中所配制的溶液逐滴加入步骤1)的溶液中，滴加完毕后，用5％的氨水调节pH＝10，继续反应30min，直到沉淀完全；
5)将步骤4)中所得沉淀经布氏漏斗抽滤，然后用去离子水洗涤数次，直至将沉淀洗至中性，弃去滤液；将沉淀加水调浆，然后进行喷雾干燥，得到的粉体即为前驱体粉末；
6)将上述前驱体粉末压制成片，放入高温烧结炉中烧结，升温条件如下：
a.由20℃升温至400℃，升温时间为40±10min；
b.在400℃保温40±10min；
c.由400℃升温至730℃，升温时间为40±10min；
d.在730℃保温480-800min，炉冷；
粉末压片经最高温度730℃保温480-800min后随炉冷却，取出粉末压片粉碎至粒径为0.06-0.31微米，最终制备成功纯净的Nd2CoTaO7粉末光催化材料；
或(2)采用微波辅助加热-微乳液法制备粉末光催化材料Nd3-xCoxTaO7，其中x＝1：
1)用电子天平称取0.008mol Nd(NO3)3加入盛有20mL去离子水的100mL烧杯中，放入搅拌子，在磁力搅拌器上搅拌，使之溶解，配成所需要的浓度；
2)用量筒准确量取35mL正己烷、10mL乙醇、5mL表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚AEO9加入步骤1)所配制的溶液中，充分搅拌30min；
3)用电子天平称取0.004mol Co(NO3)3加入盛有20mL去离子水的100mL烧杯中，用玻璃棒缓慢搅拌，使之溶解，配成所需要的浓度；
4)用电子天平称取0.004mol NaTaO3加入盛有20mL去离子水的100mL烧杯中，用玻璃棒缓慢搅拌，使之溶解，配成所需要的浓度；
5)在不断搅拌的条件下，同时将步骤4)和步骤3)中所配制的溶液逐滴加入步骤2)的溶液中，滴加完毕后，用5％的氨水调节pH＝10，继续反应30min；
6)将步骤5)中反应30min后的溶液放入微波炉中老化一段时间，反应条件为800W功率下微波加热10min；
7)用布氏漏斗抽滤步骤6)中老化好的反应液，并依次用无水乙醇及浓度为2.1mol/L的(NH4)2CO3水溶液反复洗涤至pH＝8.5，得前驱体；
8)将上述前驱体粉末压制成片，放入高温烧结炉中烧结，升温条件如下：
a.由20℃升温至400℃，升温时间为40±10min；
b.在400℃保温40±10min；
c.由400℃升温至730℃，升温时间为40±10min；
d.在730℃保温480-800min，炉冷；
粉末压片经最高温度730℃保温480-800min后随炉冷却，取出粉末压片粉碎至粒径为0.06-0.31微米，最终制备成功纯净的Nd2CoTaO7粉末光催化材料。
2.一种Nd3-xCoxTaO7-沸石复合催化材料，其特征在于，其中x＝1；
Nd2CoTaO7-沸石复合催化材料采用共沉淀-喷雾干燥法制备：
(1)称取7.5g天然沸石经蒸馏水反复水洗，过滤直至滤液澄清，在100℃烘干12小时；
(2)取150mL圆底烧瓶，加入一定浓度的盐酸溶液，再加蒸馏水稀释至75mL，控制盐酸浓度为0.4mol/L；
(3)加入7.5g沸石，即液固比为10∶1mL/g，水浴加热，在90℃下匀速搅拌4小时，蒸馏水过滤洗涤至无Cl-残余，然后在100℃下煅烧12小时，制得改性天然沸石；
(4)用电子天平称取0.008mol Nd(NO3)3加入盛有20mL去离子水的100mL烧杯中，放入搅拌子，在磁力搅拌器上搅拌，使之溶解，配成所需要的浓度；
(5)用电子天平称取0.004mol Co(NO3)3加入盛有20mL去离子水的100mL烧杯中，用玻璃棒缓慢搅拌，使之溶解，配成所需要的浓度；
(6)用电子天平称取0.004mol NaTaO3加入盛有20mL去离子水的100mL烧杯中，用玻璃棒缓慢搅拌，使之溶解，配成所需要的浓度；
(7)在不断搅拌的条件下，同时将步骤(5)和步骤(6)中所配制的溶液逐滴加入步骤(4)的溶液中，滴加完毕后，加入1.0g步骤(3)中所得经过改性的天然沸石，用5％的氨水调节pH＝10，继续反应30min，直到沉淀完全；
(8)将步骤(7)中所得沉淀经布氏漏斗抽滤，然后用去离子水洗涤数次，直至将沉淀洗至中性，弃去滤液；将沉淀加水调浆，然后进行喷雾干燥，得到的粉体即为前驱体粉末；
(9)将上述前驱体粉末压制成片，放入高温烧结炉中烧结，升温条件如下：
a.由20℃升温至400℃，升温时间为40±10min；
b.在400℃保温40±10min；
c.由400℃升温至730℃，升温时间为40±10min；
d.在730℃保温480-800min，炉冷；
粉末压片经最高温度730℃保温480-800min后随炉冷却，取出粉末压片粉碎至粒径为0.06-0.31微米，最终制备成功与改性沸石复合的Nd2CoTaO7粉末光催化材料。
3.一种光电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)用玻璃刀将电阻为10Ω/cm2的ITO导电玻璃切割成面积为2cm x 5cm大小状，分别放入丙酮和乙醇中超声清洗20min，然后将ITO玻璃放在10wt％的HNO3溶液中活化，最后用去离子水反复冲洗，晾干备用；
(2)溶液的配置：用电子天平准确称取0.004mol NaTaO3溶于50mL的去离子水中，搅拌至完全溶解后，加入0.025mol的H2O2，搅拌约5min，然后在搅拌条件下加入30mL的异丙醇；最后用2mol/L的HNO3溶液调节溶液pH＝1.20-1.40，再加入一定量的去离子水，定容至溶液最终体积为100mL，得到澄清的溶液；
(3)电沉积过程：将上述步骤(2)配好的溶液作为电解液，电沉积采用传统的三电极体系；饱和的甘汞电极SCE为参比电极，面积为2cm x 2cm的铂片(Pt)电极为对电极，处理过的ITO导电玻璃为工作电极；电沉积过程在室温下进行，沉积电压为-0.6V vs.SCE，控制沉积时间，使电沉积所消耗的电量约为-25C；电沉积完成后，ITO导电玻璃上均匀沉积上了一层无定形的淡黄色的薄膜，用去离子水反复冲洗，在空气中晾干；
(4)用电子天平准确称取0.004mol Co(NO3)3置于100mL烧杯中，加入50mL去离子水，搅拌至完全溶解；
(5)浸渍：将上述步骤(3)制得的无定形薄膜置于步骤(4)中配置的Co(NO3)3水溶液中浸渍，浸渍时间为60min；
(6)退火：将上述步骤(5)浸渍得到的薄膜置于马弗炉中进行退火，退火温度为450℃，时间为3h，升温速率约为2℃/min；
(7)用电子天平准确称取0.004mol Nd(NO3)3置于100ml烧杯中，加入50mL去离子水，搅拌至完全溶解；
(8)二次浸渍：将上述步骤(6)制得的无定形薄膜置于步骤(7)中配置的Nd(NO3)3水溶液中浸渍，浸渍时间为60min；
(9)二次退火：将上述步骤(8)浸渍得到的薄膜置于马弗炉中进行退火，退火温度为450℃，时间为3h，升温速率约为2℃/min；最终成功制备Nd2CoTaO7光电极。
4.一种根据权利要求1所述的粉末催化材料的应用，其特征在于，通过Nd3-xCoxTaO7粉末为催化剂，其中x＝1，或分别负载Pt、NiO和RuO2辅助催化剂，光源为氙灯或高压汞灯，在密闭的由多个阀门控制的玻璃管路内部照明反应器内进行分解水制取氢气及降解有机污染物毒死蜱C9H11Cl3NO3PS、亚甲基兰C16H18ClN3S、磺胺甲噁唑C10H11N3O3S。
5.一种根据权利要求2所述的Nd3-xCoxTaO7-沸石复合催化材料的应用，其特征在于，通过光催化反应体系和Nd3-xCoxTaO7-沸石复合催化材料构成的反应系统降解废水中的有机污染物毒死蜱C9H11Cl3NO3PS、亚甲基兰C16H18ClN3S、磺胺甲噁唑C10H11N3O3S，光源为氙灯或高压汞灯；采用Nd3-xCoxTaO7-沸石复合催化材料作为催化剂，上述复合催化剂颗粒在水溶液中呈梯度分布，并且可使其均匀分布在水溶液内上、中、下三层，采用波长大于420nm的截止滤光片，并同时采用充氧曝气；整个光照反应在密闭不透光的环境下进行。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN107803197B (zh) * 2017-11-09 2020-04-17 南京大学（苏州）高新技术研究院 一种粉末催化材料、纳米带催化材料、复合多孔催化材料的制备及应用
CN108525692B (zh) * 2018-02-12 2019-12-17 山东大学 一种具有高光催化效率和稳定性的光催化体系的制备方法
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4024069A (en) * 1975-07-16 1977-05-17 Rca Corporation Yttrium tantalate phosphors
CN102107139A (zh) * 2011-01-31 2011-06-29 南京大学 核-壳结构的铁钇锑基复合磁性颗粒光催化剂、制备及应用
CN102691071A (zh) * 2012-06-01 2012-09-26 浙江大学 一种铁掺杂三氧化钨光电极的制备方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4024069A (en) * 1975-07-16 1977-05-17 Rca Corporation Yttrium tantalate phosphors
CN102107139A (zh) * 2011-01-31 2011-06-29 南京大学 核-壳结构的铁钇锑基复合磁性颗粒光催化剂、制备及应用
CN102691071A (zh) * 2012-06-01 2012-09-26 浙江大学 一种铁掺杂三氧化钨光电极的制备方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Structural photophysical and photocatalytic properties of Bi2MTaO7(M=La and Y);JingFei Luan et al.;《J.Mater.Sci.》;20060921(第41期);8001-8012 *
共沉淀-喷雾干燥法合成高比表面积锰酸镧锶的研究;许延辉等;《稀土》;20081031;第29卷(第5期);17-19 *
微乳液法制备纳米ZnO粉体;何秋星等;《甘肃工业大学学报》;20030930;第29卷(第3期);72-75 *

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