CN105056956A - 一种可见光响应的钛酸铁钠光催化材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种可见光响应的钛酸铁钠光催化材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可见光响应的钛酸铁钠光催化材料及其制备方法和应用，该光催化材料的分子式为NaFeTi3O8。可以采用高温固相法或溶胶凝胶法制备得到，制备方法简单、准备成本低；得到的NaFeTi3O8粉末颗粒均匀，平均粒径在80～100纳米，在可将见光波长范围内有较宽吸收带，化学稳定性好，经济实用，可以处理水体之中的有机污染物，是一种潜在的绿色环保、可见光响应的光催化材料。

Description

一种可见光响应的钛酸铁钠光催化材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种可见光响应的钛酸铁钠光催化材料，尤其涉及NaFeTi3O8及其制备方法和应用，属于无机光催化材料领域。
背景技术
目前，随着现代工业技术领域的飞速发展，以煤、石油和天然气为主的传统化石能源的消耗量急剧上升，出现了能源枯竭，能源危机，同时导致一系列严重的环境问题，光催化技术具有低成本、环境友好等特点，因而成为未来高新技术的新希望。
光催化材料是指在光作用下可以诱发光氧化还原反应的一类半导体材料，而半导体光催化技术因其能够在清洁能源制备和环境净化方面有很好的应用前景而倍受关注，它的基本物理过程如下：当半导体吸收能量大于其带隙（Eg）的光子时，其价带上的电子（e-）会被激发到导带上，同时在价带上产生空穴（h+）；产生的电子和空穴发生分离，并迁移到半导体光催化材料的表面，参与氧化还原反应。目前，所研究的光催化材料已经不足以指导大规模工业化应用，另一方面，现有光催化材料的光响应范围窄，量子转换效率低，太阳能利用率低，这些依然是制约光催化材料应用的关键所在。紫外光在太阳能谱中只占大约5%，而可见光占约45%，因此，寻找具有可见光响应的高量子转换效率的光催化材料成为目前光催化领域的研究热点之一。
为了与传统的二氧化钛等具有紫外光响应的光催化材料相区别，可见光响应的光催化材料被称之为新型光催化材料。可见光响应的复杂金属氧化物光催化材料体系主要有（1）Ag盐氧化物光催化材料体系；（2）复合光催化材料体系；（3）钒酸盐光催化材料体系；（4）锑酸盐催化材料体系。同时，大量的钛酸盐光催化材料也被广泛研究，如SrTiO3作为一种半导体材料，能带结构是由一个充满电子的低能价带和一个空的高能导带构成，价带和导带之间由禁带分开，可用作光催化剂，在水的光催化处理、环境污染物的气－固光催化氧化等环境净化技术中得到应用。通过掺铁改性的TiO2可吸收一定量的可见光，其光催化活性也比TiO2有所提高。如中国专利CN101574653A报道了一种具有可见光响应的光催化材料Bi20TiO32；又如中国专利CN101214441A发明了一种Bi5FeTi3O15光催化材料，因具有较高的比表面积，均匀的颗粒，在可见光响应下光催化活性较好。
在此基础上，本工作对钛酸铁钠NaFeTi3O8材料的光催化活性进行了研究，发现该化合物具有优异的可见光响应的光催化性能。
发明内容
针对上述现存的技术问题，本发明提供一种制备工艺简单，生产成本低，同时可以实现紫外光光催化的钛酸硅酸铯光催化剂及其制备方法和应用。
为实现上述目的，本发明提供一种可见光响应的钛酸铁钠光催化材料，化学组成通式为NaFeTi3O8，平均粒径在80～100纳米。
本发明又提供一种上述可见光响应的钛酸铁钠光催化材料的制备方法，采用高温固相法，包括如下具体步骤：
（1）按化学组成通式NaFeTi3O8中对应元素的化学计量比，分别称取含钠离子的化合物、含铁离子的化合物、含钛离子的化合物，通过研磨均匀混合各原料；
（2）将步骤（1）得到的混合物第一次煅烧，煅烧温度为200～500℃，煅烧时间为1～20小时，煅烧氛围为空气气氛，自然冷却后，研磨并混合均匀；
（3）将步骤（2）得到的混合物第二次煅烧，煅烧温度为550～950℃，煅烧时间为1～20小时，煅烧氛围为空气气氛，自然冷却后，再次研磨并混合均匀；
（4）将步骤（3）得到的混合物第三次煅烧，煅烧温度为1000～1350℃，煅烧时间为1～20小时，煅烧氛围为空气气氛，自然冷却后，研磨均匀后即得到钛酸铁钠光催化材料NaFeTi3O8粉末。
进一步，所述的含钠元素的化合物为氧化钠、碳酸钠、氢氧化钠、碳酸氢钠氯化钠中的一种；所述的含有铁元素的化合物为四氧化三铁、三氧化二铁、氢氧化铁、氯化铁中的一种；所述的含有钛元素的化合物为二氧化钛。
更进一步，步骤（2）所述的煅烧温度为250～500℃，煅烧时间为2～19小时；步骤（3）所述的煅烧温度为600～950℃，煅烧时间为2～19小时；步骤（4）所述的煅烧温度为1000～1300℃，煅烧时间为2～19小时。
本发明再提供一种上述可见光响应的钛酸铁钠光催化材料的制备方法，采用溶胶凝胶法，包括以下步骤：
（A）将含钛物质溶于无水乙醇中，然后再加入冰醋酸，调节pH=2～4，充分搅拌1小时，配制成含钛溶液；
（B）将含铁、含钠物质分别溶解于稀硝酸中，充分搅拌1小时，配制成铁盐、钠盐溶液；
（C）在搅拌下，将步骤（B）制得的铁盐、钠盐溶液分别缓慢加入到步骤（A）所得的含钛溶液中，继续搅拌1小时，并且混合溶液中钠、铁与钛的摩尔比例为1：1：3；
（D）将步骤（B）所得的溶液在室温下陈化形成透明凝胶，然后放置烘箱中80～90℃干燥，得到前驱体；
（E）将前驱体放入马弗炉中煅烧，煅烧温度为1000～1250℃，煅烧时间为2～20小时，自然冷却后，研磨均匀即得到一种钛酸铁钠光催化材料NaFeTi3O8粉末。
进一步，所述的含钠元素的化合物为氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、硝酸钠、氢氧化钠、氯化钠中的一种；所述的含有铁元素的化合物为三氧化二铁、四氧化三铁、硝酸铁、氢氧化铁、氯化铁中的一种；所述的含有钛元素的化合物为钛酸四丁酯、钛酸异丙酯中的一种。
更进一步，步骤（E）所述的煅烧温度为1000～1200℃，煅烧时间为3～19小时。
本发明另提供一种上述可见光响应的钛酸铁钠光催化材料的作为无机光催化材料的应用。该钛酸铁钠NaFeTi3O8光催化材料在可见光照射下能够有效分解多种有机污染物，光催化活性高，是一种良好的光催化材料。
与现有技术方案相比，本发明技术方案优点在于：
1、NaFeTi3O8作为一种可见光响应的光催化材料，具有可见光响应这一特征，吸收光波长范围较宽，太阳光利用率较高。
2、本发明所制备的NaFeTi3O8光催化剂颗粒均匀，尺寸为纳米级，稳定性较好，具有较好的光催化性能。
3、本发明所采用的NaFeTi3O8光催化材料的制备方法简单，成本较低。
4、本发明制备过程无废水废气排放，对环境友好，且易于工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1所制得的NaFeTi3O8样品的X射线粉末衍射图谱；
图2为本发明实施例1所制得的NaFeTi3O8样品的SEM（扫描电子显微镜）图谱；
图3为本发明实施例1所制得的NaFeTi3O8样品紫外-可见漫反射光谱的初始图；
图4为本发明实施例1所制得的NaFeTi3O8样品在光照时对有机染料亚甲基蓝的降解曲线；
图5为本发明实施例1所制得的NaFeTi3O8样品降解亚甲基蓝的动力学曲线图。
图6为本发明实施例5所制得的NaFeTi3O8样品的X射线粉末衍射图谱；
图7为本发明实施例5所制得的NaFeTi3O8样品的SEM（扫描电子显微镜）图谱；
图8为本发明实施例5所制得的NaFeTi3O8样品紫外-可见漫反射光谱的初始图；
图9为本发明实施例5所制得的NaFeTi3O8样品在光照时对有机染料亚甲基蓝的降解曲线；
图10为本发明实施例5所制得的NaFeTi3O8样品降解亚甲基蓝的动力学曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
本发明钛酸铁钠光催化剂的化学式为NaFeTi3O8，可以采用固相法、溶胶-凝胶法制备，具体实施方法如下。
实施例1：
采用高温固相法制备NaFeTi3O8，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合成。
根据化学式NaFeTi3O8，分别称取氧化钠Na2O：0.62克，四氧化三铁Fe3O4：1.54克，二氧化钛TiO2：4.79克，将原料在玛瑙研钵中研磨并混合均匀后进行第一次煅烧，煅烧温度为250℃，煅烧时间5小时，氛围为空气气氛，取出样品自然冷却；将第一次煅烧的样品研磨均匀后进行第二次煅烧，煅烧温度为600℃，煅烧时间10小时，氛围为空气气氛，取出样品自然冷却；将样品研磨均匀后在空气氛围中进行第三次煅烧，煅烧温度为1000℃，煅烧时间19小时，即得到NaFeTi3O8粉末。
参见附图1，实施例1所制备样品的X射线粉末衍射图谱，XRD测试结果显示，与标准卡片对比，所制备的钛酸铁钠NaFeTi3O8为单相材料，并且结晶性较好；
参见附图2，本实施例1制备样品的SEM（扫描电子显微镜）图谱，从图中可以看出，NaFeTi3O8样品颗粒均匀，粒径约为100纳米；
参见附图3，本实施例1制备样品的紫外-可见漫反射光谱，从图中可以看出，该NaFeTi3O8样品吸收光波长范围较宽，能够有效吸收可见光；
参见附图4，本实施例1制备样品在不同的光照时间下对有机染料亚甲基蓝的降解曲线。从图中可以看出，该NaFeTi3O8样品光催化降解亚甲基蓝的降解率240分钟达到75%，说明制备出的钛酸铁钠NaFeTi3O8材料具有一定的光催化活性；
参见附图5，本实施例1所制备样品降解亚甲基蓝的动力学曲线图，从图中可以看出，该NaFeTi3O8样品光催化降解亚甲基蓝的表观动力学速率常数为0.0066分钟-1。
实施例2：
采用高温固相法制备NaFeTi3O8，根据化学式NaFeTi3O8，分别称取碳酸钠Na2CO3：1.06克，三氧化二铁Fe2O3：1.60克，二氧化钛TiO2：4.79克，将原料在玛瑙研钵中研磨并混合均匀后进行第一次煅烧，煅烧温度为500℃，煅烧时间2小时，氛围为空气气氛，取出样品自然冷却；将第一次煅烧的样品研磨均匀后进行第二次煅烧，煅烧温度为950℃，煅烧时间17小时，氛围为空气气氛，取出样品自然冷却；将样品研磨均匀后在空气氛围中进行第三次煅烧，煅烧温度为1300℃，煅烧时间12小时，即得到NaFeTi3O8粉末。
经观测，本实施例2制备的NaFeTi3O8样品的主要结构形貌、紫外-可见漫反射光谱、对亚甲基蓝的降解率和降解亚甲基蓝的动力学曲线与实施例1相似。
实施例3：
制备NaFeTi3O8
采用高温固相法制备NaFeTi3O8，分别称取氯化钠NaCl：1.17克，氯化铁FeCl3：3.24克，二氧化钛TiO2：4.79克，将原料在玛瑙研钵中研磨并混合均匀后进行第一次煅烧，煅烧温度为400℃，煅烧时间6小时，氛围为空气气氛，取出样品自然冷却；将第一次煅烧的样品研磨均匀后进行第二次煅烧，煅烧温度为850℃，煅烧时间8小时，氛围为空气气氛，取出样品自然冷却；将样品研磨均匀后在空气氛围中进行第三次煅烧，煅烧温度为1200℃，煅烧时间18小时，即得到光催化剂钛酸铁钠NaFeTi3O8粉末。
经观测，本实施例3制备的NaFeTi3O8样品的主要结构形貌、紫外-可见漫反射光谱、对亚甲基蓝的降解率和降解亚甲基蓝的动力学曲线与实施例1相似。
实施例4：
采用高温固相法制备NaFeTi3O8，根据化学式NaFeTi3O8，分别称取氢氧化钠NaOH：0.80克，氢氧化铁Fe(OH)3：2.14克，二氧化钛TiO2：4.79克，将原料在玛瑙研钵中研磨并混合均匀后进行第一次煅烧，煅烧温度为350℃，煅烧时间9小时，氛围为空气气氛，取出样品自然冷却；将第一次煅烧的样品研磨均匀后进行第二次煅烧，煅烧温度为750℃，煅烧时间14小时，氛围为空气气氛，取出样品自然冷却；将样品研磨均匀后在空气氛围中进行第三次煅烧，煅烧温度为1100℃，煅烧时间7小时，即得到光催化剂钛酸铁钠NaFeTi3O8粉末。
经观测，本实施例4制备的NaFeTi3O8样品的主要结构形貌、紫外-可见漫反射光谱、对亚甲基蓝的降解率、降解亚甲基蓝的动力学曲线与实施例1相似。
实施例5：
采用溶胶-凝胶法制备NaFeTi3O8，根据化学式NaFeTi3O8，分别称取氯化钠NaCl：1.17克，硝酸铁Fe(NO)3·9H2O：8.08克，钛酸异丙酯C12H28O4Ti：17.05克，将钛酸异丙酯溶于无水乙醇中，然后再加入冰醋酸，调节pH=2，充分搅拌1小时；将氯化钠、硝酸铁用稀硝酸分别加热搅拌使其充分溶解，配制成铁盐、钠盐溶液；将铁盐、钠盐溶液分别缓慢加入到含钛溶液中，继续搅拌1小时，室温下陈化形成透明凝胶，然后放置烘箱中干燥，温度为80℃，得到前驱体；将前驱体放入马弗炉中煅烧，氛围为空气氛围，煅烧温度为1200℃，煅烧时间为19小时，自然冷却后，研磨均匀即得到NaFeTi3O8粉末。
参见附图6，本实施例5所制备样品的X射线粉末衍射图谱，XRD测试结果显示，与标准卡片比对，所制备的NaFeTi3O8为单相材料，并且结晶性较好。
参见附图7，本实施例5所制备样品的SEM（扫描电子显微镜）图谱，从图中可以看出，所得NaFeTi3O8粉末颗粒分散均匀，尺寸约为80纳米。
参见附图8，本实施例5所制备样品的紫外-可见漫反射光谱，从图中可以看出，该NaFeTi3O8样品吸收光波长范围较宽，能够有效吸收可见光。
参见附图9，本实施例5所制备样品在不同的光照时间下对有机染料亚甲基蓝的降解曲线。从图中可以看出，该样品光催化降解亚甲基蓝的降解率240分钟达到95%，说明制备出的钛酸铁钠NaFeTi3O8材料具有优异的光催化活性。
参见附图10，本实施例5所制备样品降解亚甲基蓝的动力学曲线图，从图中可以看出，该样品光催化降解亚甲基蓝的表观动力学速率常数为0.012分钟-1。
实施例6：
采用溶胶-凝胶法制备NaFeTi3O8，根据化学式NaFeTi3O8，分别称取硝酸钠NaNO3：1.70克，三氧化二铁Fe2O3：1.60克，钛酸四丁酯C16H36O4Ti：20.42克，将钛酸四丁酯溶于无水乙醇中，然后再加入冰醋酸，调节pH=3，充分搅拌1小时；将硝酸钠、三氧化二铁用稀硝酸分别加热搅拌使其充分溶解，配制成铁盐、钠盐溶液；将铁盐、钠盐溶液分别缓慢加入到含钛溶液中，继续搅拌1小时，室温下陈化形成透明凝胶，然后放置烘箱中干燥，温度为80℃，得到前驱体；将前驱体放入马弗炉中煅烧，氛围为空气氛围，煅烧温度为1000℃，煅烧时间为3小时，自然冷却后，研磨均匀即得到NaFeTi3O8粉末。
经过观测，本实施例6所制备NaFeTi3O8的主要的结构形貌、紫外-可见漫反射光谱、对亚甲基蓝的降解率和降解亚甲基蓝的动力学曲线与实施例5相似。
实施例7：
采用溶胶-凝胶法制备NaFeTi3O8，根据化学式NaFeTi3O8，分别称取氢氧化钠NaOH：0.80克，氢氧化铁Fe(OH)3：2.14克，钛酸异丙酯C12H28O4Ti：17.05克，将钛酸异丙酯溶于无水乙醇中，然后再加入冰醋酸，调节pH=4，充分搅拌1小时；将硝酸钠、三氧化二铁用稀硝酸分别加热搅拌使其充分溶解，配制成铁盐、钠盐溶液；将铁盐、钠盐溶液分别缓慢加入到钛源溶液中，继续搅拌1小时，室温下陈化形成透明凝胶，然后放置烘箱中干燥，温度为80℃，得到前驱体；将前驱体放入马弗炉中煅烧，氛围为空气氛围，煅烧温度为1100℃，煅烧时间为15小时，自然冷却后，研磨均匀即得到NaFeTi3O8粉末。
经过观测，本实施例7所制备NaFeTi3O8的主要的结构形貌、紫外-可见漫反射光谱、对亚甲基蓝的降解率、降解亚甲基蓝的动力学曲线与实施例5相似。
实施例8：
采用溶胶-凝胶法制备NaFeTi3O8，根据化学式NaFeTi3O8，分别称取碳酸钠Na2CO3：1.06克，三氧化二铁Fe2O3：1.60克，钛酸四丁酯C16H36O4Ti：20.42克，将钛酸四丁酯溶于无水乙醇中，然后再加入冰醋酸，调节pH=3，充分搅拌1小时；将碳酸钠、三氧化二铁用稀硝酸分别加热搅拌使其充分溶解，配制成铁盐、钠盐溶液；将铁盐、钠盐溶液分别缓慢加入到含钛溶液中，继续搅拌1小时，室温下陈化形成透明凝胶，然后放置烘箱中干燥，温度为80℃，得到前驱体；将前驱体放入马弗炉中煅烧，氛围为空气氛围，煅烧温度为1150℃，煅烧时间为10小时，自然冷却后，研磨均匀即得到NaFeTi3O8粉末。
经过观测，本实施例8所制备NaFeTi3O8的主要结构形貌、紫外-可见漫反射光谱、对亚甲基蓝的降解率、降解亚甲基蓝的动力学曲线与实施例5相似。
综上，各个实施例制备的化学式为NaFeTi3O8的光催化剂，经试验证实，在可见光照射下能够有效分解多种有机污染物，光催化活性高，是一种良好的光催化材料。

Claims (8)

1.一种可见光响应的钛酸铁钠光催化材料，其特征在于，化学组成通式为NaFeTi3O8，平均粒径在80～100纳米。
2.一种如权利要求1所述的一种可见光响应的钛酸铁钠光催化材料的制备方法，其特征在于，采用高温固相法，包括如下具体步骤：
（1）按化学组成通式NaFeTi3O8中对应元素的化学计量比，分别称取含钠离子的化合物、含铁离子的化合物、含钛离子的化合物，通过研磨均匀混合各原料；
（2）将步骤（1）得到的混合物第一次煅烧，煅烧温度为200～500℃，煅烧时间为1～20小时，煅烧氛围为空气气氛，自然冷却后，研磨并混合均匀；
（3）将步骤（2）得到的混合物第二次煅烧，煅烧温度为550～950℃，煅烧时间为1～20小时，煅烧氛围为空气气氛，自然冷却后，再次研磨并混合均匀；
（4）将步骤（3）得到的混合物第三次煅烧，煅烧温度为1000～1350℃，煅烧时间为1～20小时，煅烧氛围为空气气氛，自然冷却后，研磨均匀后即得到钛酸铁钠光催化材料NaFeTi3O8粉末。
3.根据权利要求2所述的一种可见光响应的钛酸铁钠光催化材料的制备方法，其特征在于，所述的含钠元素的化合物为氧化钠、碳酸钠、氢氧化钠、碳酸氢钠氯化钠中的一种；所述的含有铁元素的化合物为四氧化三铁、三氧化二铁、氢氧化铁、氯化铁中的一种；所述的含有钛元素的化合物为二氧化钛。
4.根据权利要求2或3所述的一种可见光响应的钛酸铁钠光催化材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的煅烧温度为250～500℃，煅烧时间为2～19小时；步骤（3）所述的煅烧温度为600～950℃，煅烧时间为2～19小时；步骤（4）所述的煅烧温度为1000～1300℃，煅烧时间为2～19小时。
5.一种如权利要求1所述的可见光响应的钛酸铁钠光催化材料的制备方法，其特征在于采用溶胶凝胶法，包括以下步骤：
（A）将含钛物质溶于无水乙醇中，然后再加入冰醋酸，调节pH=2～4，充分搅拌1小时，配制成含钛溶液；
（B）将含铁、含钠物质分别溶解于稀硝酸中，充分搅拌1小时，配制成铁盐、钠盐溶液；
（C）在搅拌下，将步骤（B）制得的铁盐、钠盐溶液分别缓慢加入到步骤（A）所得的含钛溶液中，继续搅拌1小时，并且混合溶液中钠、铁与钛的摩尔比例为1：1：3；
（D）将步骤（B）所得的溶液在室温下陈化形成透明凝胶，然后放置烘箱中80～90℃干燥，得到前驱体；
（E）将前驱体放入马弗炉中煅烧，煅烧温度为1000～1250℃，煅烧时间为2～20小时，自然冷却后，研磨均匀即得到一种钛酸铁钠光催化材料NaFeTi3O8粉末。
6.根据权利要求5所述的一种可见光响应的钛酸铁钠光催化材料的制备方法，其特征在于，所述的含钠元素的化合物为氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、硝酸钠、氢氧化钠、氯化钠中的一种；所述的含有铁元素的化合物为三氧化二铁、四氧化三铁、硝酸铁、氢氧化铁、氯化铁中的一种；所述的含有钛元素的化合物为钛酸四丁酯、钛酸异丙酯中的一种。
7.根据权利要求5或6所述的一种可见光响应的钛酸铁钠光催化材料的制备方法，其特征在于，步骤（E）所述的煅烧温度为1000～1200℃，煅烧时间为3～19小时。
8.一种如权利要求1所述的可见光响应的钛酸铁钠光催化材料的作为无机光催化材料的应用。
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