CN105126823B - 一种钽/铌酸盐光催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钽/铌酸盐光催化剂及其制备方法和应用，该光催化材料化学通式为MnTiM2O8，其中M为Ta或Nb，采用高温固相法或化学溶液法，制备得到的材料颗粒度均匀、化学稳定性好，在可见光范围具有有效的光吸收性能，同时在可见光的辐照下具有较好的光催化效应，且制备过程操作简单易行，便于工业化生产，能够很好的降解有机污染物，是一种理想的光催化剂材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种钽/铌酸盐光催化剂及其制备方法和应用，尤其适用于降解有机污染物，属于无机光催化材料领域。
背景技术
目前，科技的飞速发展给人类的生活带来了很多便利并促使人类文明的发展，但随之而来的环境污染问题也对人类的发展造成了阻碍，消除环境污染需要消耗大量的能源，这又给能源问题提出了严峻的挑战。半导体光催化技术作为一种能够有效解决能源和环境问题的一种理想方法正被人们所重视并广泛研究。
以TiO2为代表的光催化剂，以其活性高、热稳定性好、价格便宜且无公害而成为人们研究的热点。充满电子的低能价带以及空的高能导带构成了半导体的能带，它们之间的不连续区域称为禁带。半导体的吸收带边由禁带宽度的大小决定，其特殊的光电性能就是由它特殊的能带结构所决定。当光能量大于或等于半导体带隙时，价带电子吸收能量激发跃迁到导带上，同时带有正电荷的空穴会在价带上留下。受激发的电子和空穴在电场的作用下发生分离，从而迁移到半导体离子的表面。光生空穴具有很强的得电子能力，表现为强氧化性，可夺取吸附在半导体粒子表面物质或溶剂中的电子；而光生电子易被吸附在催化剂表面的物质所夺取，光生电子-空穴对与吸附质或者溶剂分子之间的氧化还原过程不断进行，从而产生光催化，实现有机污染物的光催化降解。
虽然人们对光催化的研究已经进行了许多年，但就目前所研究的结果来看，大部分的催化剂都存在着光利用效率低、光谱响应范围窄、性能不够稳定等问题。钽酸盐、铌酸盐系列的光催化剂是具有d10电子结构的一类非常重要的光催化材料，这类材料由于其合适的导带位置，光生电子一般具有很强的还原能力，因而被人们广泛的研究。如专利CN102626615 A报道的钽酸盐光催化材料，以及专利CN 100488624 C报道的铌酸盐光催化材料，都具有很好的光催化效果，以此为启发，我们研究了一种新型的光催化剂MnTiM2O8，其中M为钽和铌，发现该类化合物也具有优异的光催化性能，且目前尚无报道。
发明内容
针对上述现存的技术问题，本发明提供一种钽/铌酸盐光催化剂及其制备方法和应用，且制备方法简单，成本低廉，具有很好的市场应用前景。
为实现上述目的，本发明提供一种钽/铌酸盐光催化剂，化学通式为MnTiM2O8，其中M为Ta或Nb。
本发明又提供一种上述钽/铌酸盐光催化剂的制备方法，采用高温固相法，包括如下具体步骤：
（1）以含锰离子、含钛离子和含M离子的化合物为原料，按化学通式MnTiM2O8中对应元素的化学计量比称取原料，其中M为Ta或Nb，研磨后混合均匀；
（2）将步骤（1）得到的混合物在空气气氛下进行预煅烧，预煅烧温度为300～900℃，煅烧时间为4～20小时，自然冷却后，研磨并混合均匀；
（3）将步骤（2）得到的混合物在空气气氛中煅烧，煅烧温度为900～1400℃，煅烧时间为5～20小时，自然冷却并研磨，即得到钽/铌酸盐光催化材料。
进一步，所述的含锰元素的化合物为碳酸锰、二氧化锰、硝酸锰、氯化锰、乙酸锰中的一种；所述的含钛元素的化合物为二氧化钛、钛酸四丁酯、异丙醇钛、四氯化钛中的一种；所述的含M元素的化合物为五氧化二钽、五氯化钽、氢氧化钽、五氧化二铌、五氯化铌、氢氧化铌中的一种。
更进一步，步骤（2）所述的煅烧温度为350～850℃，煅烧时间为5～18小时；步骤（3）所述的煅烧温度为1000～1350℃，煅烧时间为6～16小时。
本发明再提供一种上述钽/铌酸盐光催化剂的制备方法，采用化学溶液法，包括如下具体步骤：
（A）按化学通式为MnTiM2O8中各元素的化学计量比，其中M为Ta或Nb，首先称取含有锰离子Mn2+的化合物，溶于适量的去离子水或稀硝酸中，加热搅拌，直至完全溶解，加入络合剂，得到A溶液；称取含有钛离子Ti4+的化合物，溶于去乙酸中，加热搅拌，直至完全溶解，加入络合剂，得到B溶液；称取含有M离子M5+的化合物，溶于去离子水或乙酸中，加热搅拌，直至完全溶解，得到C溶液；最后混合A、B、C溶液，并搅拌均匀，直至形成凝胶；
（B）将步骤（A）得到的凝胶放置在烘箱中，温度为50～100℃，时间为12小时，陈化并烘干，自然冷却后，取出前驱体；
（C）将步骤（B）得到的前驱体在空气气氛中进行煅烧，煅烧温度为900～1300℃，煅烧时间为5～20小时，自然冷却后，研磨均匀，即得到钽/铌酸盐光催化材料。
进一步，所述的含锰元素的化合物为碳酸锰、二氧化锰、硝酸锰、氯化锰、乙酸锰中的一种；所述的含钛元素的化合物为二氧化钛、钛酸四丁酯、异丙醇钛、四氯化钛中的一种；所述的含M元素的化合物为五氧化二钽、五氯化钽、氢氧化钽、五氧化二铌、五氯化铌、氢氧化铌中的一种；所述络合剂为柠檬酸、草酸中的一种。
更进一步，步骤（C）所述的煅烧温度为950～1250℃，煅烧时间为7～18小时。
本发明还提供一种上述钽/铌酸盐光催化剂作为光催化剂的应用，在紫外光和可见光的照射下，150分钟内对亚甲基蓝的降解率最大达到84.93%，是一种高效的光催化剂。
与现有技术方案相比，本发明技术方案优点在于：
1、MnTiM2O8（M=Ta，Nb）光催化剂所用原料价格便宜，成本低廉，且制备方法简单，用化学法得到的光催化剂具有较好的形貌结构和均匀的颗粒尺寸，便于推广使用。
2、制备的MnTiM2O8（M=Ta，Nb）光催化剂在紫外光和可见光范围内均有很好的吸收，因此在紫外光和可见光的照射下，该光催化剂能够高效的催化降解亚甲基蓝，具有良好的光催化活性。
3、制备过程对环境无污染，无废气废液排放，因而MnTiM2O8（M=Ta，Nb）光催化剂是一种绿色安全的无机光催化材料，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MnTiTa2O8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MnTiTa2O8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MnTiTa2O8样品反射图谱；
图4为本发明实施例1所制得的MnTiTa2O8样品在光照时对有机染料亚甲基蓝降解的速率变化曲线图；
图5为本发明实施例1所制得的MnTiTa2O8样品降解亚甲基蓝的动力学曲线图；
图6为本发明实施例1所制得的MnTiTa2O8样品在光照下对亚甲基蓝降解的吸光度图；
图7为本发明实施例5所制得的MnTiTa2O8样品的X射线粉末衍射图谱；
图8为本发明实施例5所制得的MnTiTa2O8样品的SEM（扫描电子显微镜）图谱；
图9为本发明实施例5所制得的MnTiTa2O8样品反射图谱；
图10为本发明实施例5所制得的MnTiTa2O8样品在光照时对有机染料亚甲基蓝降解的速率变化曲线图；
图11为本发明实施例5所制得的MnTiTa2O8样品降解亚甲基蓝的动力学曲线图；
图12为本发明实施例7所制得的MnTiNb2O8样品的X射线粉末衍射图谱；
图13为本发明实施例7所制得的MnTiNb2O8样品的SEM（扫描电子显微镜）图谱；
图14为本发明实施例7所制得的MnTiNb2O8样品反射图谱；
图15为本发明实施例7所制得的MnTiNb2O8样品在光照时对有机染料亚甲基蓝降解的速率变化曲线图；
图16为本发明实施例7所制得的MnTiNb2O8样品降解亚甲基蓝的动力学曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明MnTiM2O8（M=Ta，Nb）光催化剂能通过高温固相法、化学溶液法制得，下面通过几个例子说明该光催化剂的制备方法，并验证该光催化剂的光催化特性。
实施例1：
采用化学溶液法制备MnTiTa2O8，根据化学式MnTiTa2O8中各元素的化学计量比，分别称取氯化锰MnCl2·4H2O：0.990克，溶于稀硝酸并加入适量的柠檬酸进行络合，得到A溶液；称取钛酸四丁酯C16H36O4Ti：1.702克，溶于乙酸中，加热搅拌，直至完全溶解，加入适量的柠檬酸进行络合，得到B溶液；称取五氯化钽TaCl5：3.582克，溶于乙酸中，加热搅拌，直至完全溶解，得到C溶液；混合A、B、C溶液，继续搅拌，直至形成凝胶。将得到的凝胶放置烘箱中，温度为50℃，烘12小时，自然冷却后，取出前驱体。将前驱体在空气气氛中煅烧，煅烧温度为1300℃，煅烧时间为5小时，取出后并充分研磨即得到MnTiTa2O8光催化剂粉末。
见附图1，本实施例1所制备MnTiTa2O8样品的X射线粉末衍射图谱，XRD测试结果显示，所制备的钽酸盐MnTiTa2O8为单相材料，结晶度较好。
见附图2，本实施例1所制备的MnTiTa2O8样品的SEM（扫描电子显微镜）图谱，从图中可以看出，所得样品结晶性好，颗粒分散均匀，平均粒径为57.55纳米。
见附图3，本实施例1所制备的MnTiTa2O8样品的反射光谱，从图中可以看出，所得样品在紫外及可见光区处都具有很好的吸收。
见附图4，本实施例1所制备的MnTiTa2O8样品对有机染料亚甲基蓝降解速率的变化曲线，从图中可以看出，该样品光催化降解亚甲基蓝的降解率150分钟达到84.93%，说明制备出的钽酸盐MnTiTa2O8材料具有一定的光催化活性。
见附图5，本实施例1所制备的MnTiTa2O8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1.53×10-2每分钟。
见附图6，本实施例1所制备的MnTiTa2O8样品对亚甲基蓝降解的吸光度图，从图中可以看出，随着光照时间的延长，亚甲基蓝的吸光度逐渐降低。
实施例2：
采用化学溶液法制备MnTiTa2O8，根据化学式MnTiTa2O8中各元素的化学计量比，称取硝酸锰Mn(NO3)2·4H2O：1.250克，溶于适量的去离子水中，加热搅拌，直至完全溶解，加入柠檬酸络合剂，得到A溶液；称取异丙醇钛C12H28O4Ti：1.421克，溶于去离子水中，加热搅拌，直至完全溶解，加入柠檬酸络合剂，得到B溶液；称取五氯化钽TaCl5：3.582克，溶于去离子水，加热搅拌，直至完全溶解，得到C溶液；最后混合A、B、C溶液，并搅拌均匀，直至形成凝胶。将得到的凝胶放置烘箱中，温度为100℃，烘12小时，自然冷却后，取出前驱体。将前驱体在空气气氛中煅烧，煅烧温度为1150℃，煅烧时间为10小时，取出后并充分研磨即得到MnTiTa2O8光催化剂粉末。
经过多方面的观测，本实施例2所制备MnTiTa2O8样品的主要结构形貌、反射光谱以及对亚甲基蓝降解的速率变化、对降解亚甲基蓝的动力学曲线和吸光度图谱与实施例1相似。
实施例3：
采用化学溶液法制备MnTiTa2O8，根据化学式MnTiTa2O8中各元素的化学计量比，称取乙酸锰(CH3COO)2Mn·4H2O：1.225克，溶于适量的去离子水中，加热搅拌，直至完全溶解，加入柠檬酸络合剂，得到A溶液；称取四氯化钛TiCl4：0.949克，溶于乙酸中，加热搅拌，直至完全溶解，加入柠檬酸络合剂，得到B溶液；称取氢氧化钽Ta(OH)5：2.660克，溶于去离子溶于去离子水中，加热搅拌，直至完全溶解，得到C溶液；最后混合A、B、C溶液，继续搅拌，直至形成凝胶。将得到的凝胶放置烘箱中，温度为75℃，烘12小时，自然冷却后，取出前驱体。将前驱体在空气气氛中煅烧，煅烧温度为1050℃，煅烧时间为14小时，取出后并充分研磨即得到MnTiTa2O8光催化剂粉末。
经过多方面的观测，本实施例3所制备MnTiTa2O8样品的主要结构形貌、反射光谱以及对亚甲基蓝降解的速率变化、对降解亚甲基蓝的动力学曲线和吸光度图谱与实施例1相似。
实施例4：
采用化学溶液法制备MnTiTa2O8，根据化学式MnTiTa2O8中各元素的化学计量比，称取硝酸锰Mn(NO3)2·4H2O：1.250克，溶于适量稀硝酸中，加热搅拌，直至完全溶解，加入柠檬酸络合剂，得到A溶液；称取钛酸四丁酯C16H36O4Ti：1.702克，溶于去离子水中，加热搅拌，直至完全溶解，加入柠檬酸络合剂，得到B溶液；称取氢氧化钽Ta(OH)5：2.660克，溶于乙酸中，加热搅拌，直至完全溶解，得到C溶液；最后混合A、B、C溶液，并搅拌均匀，直至形成凝胶。将得到的凝胶放置烘箱中，温度为90℃，烘12小时，自然冷却后，取出前驱体。将前驱体在空气气氛中煅烧，煅烧温度为900℃，煅烧时间为20小时，取出后并充分研磨即得到MnTiTa2O8光催化剂粉末。
经过多方面的观测，本实施例3所制备MnTiTa2O8样品的主要结构形貌、反射光谱以及对亚甲基蓝降解的速率变化、对降解亚甲基蓝的动力学曲线和吸光度图谱与实施例1相似。
实施例5：
采用高温固相法制备MnTiTa2O8，根据化学式MnTiTa2O8中各元素的化学计量比，分别称取二氧化锰MnO2：0.869克，二氧化钛TiO2：0.799克，五氧化二钽Ta2O5：4.419克，在玛瑙研钵中研磨并混合均匀后，选择空气气氛于马弗炉中在300℃下预煅烧20小时，自然冷却后，再次把得到的混合料充分混合研磨均匀，在空气气氛之中，1350℃下煅烧6小时，冷却至室温，取出后并充分研磨即得到MnTiTa2O8光催化剂粉末。
见附图7，本实施例5所制备的MnTiTa2O8样品的X射线粉末衍射图谱，XRD测试结果显示，所制备的钽酸盐MnTiTa2O8为单相材料，结晶度较好。
见附图8，本实施例5所制备的MnTiTa2O8样品的SEM（扫描电子显微镜）图谱，从图中可以看出，所得样品结晶性好，颗粒分散均匀，平均粒径为0.81微米。
见附图9，本实施例5所制备的MnTiTa2O8样品的反射光谱，从图中可以看出，该样品在紫外及可见光区处具有很好的吸收。
见附图10，本实施例5所制备的MnTiTa2O8样品对有机染料亚甲基蓝降解速率的变化曲线，从图中可以看出，该样品光催化降解亚甲基蓝的降解率150分钟达到71.62%，说明制备出的钽酸盐MnTiTa2O8材料具有一定的光催化活性。
见附图11，本实施例5所制备的MnTiTa2O8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1.00×10-2每分钟。
可知，本实施例5所制备的MnTiTa2O8样品对亚甲基蓝降解的吸光度图谱与实施例1相似。
实施例6：
采用高温固相法制备MnTiTa2O8，根据化学式MnTiTa2O8中各元素的化学计量比，分别称取碳酸锰MnCO3：1.150克，二氧化钛TiO2：0.799克，五氧化二钽Ta2O5：4.419克，在玛瑙研钵中研磨并混合均匀后，选择空气气氛于马弗炉中在900℃下预煅烧4小时，自然冷却后，，研磨并混合均匀；再将得到的混合物在空气气氛之中，900℃下煅烧20小时，冷却至室温，取出后并充分研磨即得到MnTiTa2O8光催化剂粉末。
经过多方面的观测，本实施例3所制备的MnTiTa2O8样品的主要结构形貌、反射光谱以及对亚甲基蓝降解的速率变化和降解亚甲基蓝的动力学曲线与实施例5相似，对亚甲基蓝降解的吸光度图谱与实施例1相似。
实施例7
采用高温固相法制备MnTiNb2O8，根据化学式MnTiNb2O8中各元素的化学计量比，分别称取二氧化锰MnO2：0.869克，二氧化钛TiO2：0.799克，五氧化二铌Nb2O5：2.658克，在玛瑙研钵中研磨并混合均匀后，选择空气气氛于马弗炉中在500℃下预煅烧15小时，自然冷却后，取出样品；再次把混合料充分混合研磨均匀，在空气气氛之中，1400℃下煅烧5小时，冷却至室温，取出后并充分研磨即得到MnTiNb2O8光催化剂粉末。
见附图12，本实施例7所制备的MnTiNb2O8样品的X射线粉末衍射图谱，XRD测试结果显示，所制备的MnTiNb2O8为单相材料，结晶度较好。
见附图13，本实施例7所制备的MnTiNb2O8样品的SEM（扫描电子显微镜）图谱，从图中可以看出，所得样品结晶性好，颗粒分散均匀，平均粒径为0.72微米。
见附图14，本实施例7所制备的MnTiNb2O8样品的反射光谱，从图中可以看出，该样品在紫外及可见光区处具有很好的吸收。
见附图15，本实施例7所制备的MnTiNb2O8样品对有机染料亚甲基蓝降解速率的变化曲线。从图中可以看出，该样品光催化降解亚甲基蓝的降解率150分钟达到84.93%，说明制备出的铌酸盐MnTiNb2O8材料具有一定的光催化活性。
参见附图16，本实施例7所制备的MnTiNb2O8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1.52×10-2每分钟。
并且，本实施例7所制备的MnTiNb2O8样品对亚甲基蓝降解的吸光度图谱与实施例1相似。
实施例8：
采用高温固相法制备MnTiNb2O8，根据化学式MnTiNb2O8中各元素的化学计量比，分别称取碳酸锰MnCO3：1.150克，二氧化钛TiO2：0.799克，五氯化铌NbCl5：5.403克，在玛瑙研钵中研磨并混合均匀后，选择空气气氛于马弗炉中在800℃下预煅烧8小时，自然冷却后，取出样品；再次把混合料充分混合研磨均匀，在空气气氛之中，1100℃下煅烧12小时，冷却至室温，取出后并充分研磨即得到MnTiNb2O8光催化剂粉末。
经过多方面的观测，本实施例8所制备的MnTiNb2O8样品的主要结构形貌、反射光谱以及对亚甲基蓝降解的速率变化、对降解亚甲基蓝的动力学曲线与实施例7相似，对亚甲基蓝降解的吸光度图谱与实施例1相似。
实施例9：
采用高温固相法制备MnTiNb2O8，根据化学式MnTiNb2O8中各元素的化学计量比，分别称取碳酸锰MnCO3：1.150克，二氧化钛TiO2：0.799克，氢氧化铌Nb(OH)5：3.558克，在玛瑙研钵中研磨并混合均匀后，选择空气气氛于马弗炉中在750℃下预煅烧10小时，自然冷却后，取出样品；再次把混合料充分混合研磨均匀，在空气气氛之中，1050℃下煅烧14小时，冷却至室温，取出后并充分研磨即得到MnTiNb2O8光催化剂粉末。
经过多方面的观测，本实施例9所制备的MnTiNb2O8样品的主要结构形貌、反射光谱以及对亚甲基蓝降解的速率变化和降解亚甲基蓝的动力学曲线与实施例7相似，对亚甲基蓝降解的吸光度图谱与实施例1相似。
实施例10：
采用化学溶液法制备MnTiNb2O8，根据化学式MnTiNb2O8中各元素的化学计量比，分别称取碳酸锰MnCO3：1.150克，二氧化钛TiO2：0.799克，氢氧化铌Nb(OH)5：3.558克，分别溶于去离子或稀硝酸并加入适量的柠檬酸进行络合，搅拌后得到A、B、C溶液，混合，继续搅拌，直至形成凝胶。将得到的凝胶放置烘箱中，温度为100℃，烘12小时，自然冷却后，取出前驱体。将前驱体在空气气氛中煅烧，煅烧温度为900℃，煅烧时间为20小时，取出后并充分研磨即得到MnTiNb2O8光催化剂粉末。
经过多方面的观测，本实施例10所制备MnTiNb2O8样品的主要结构形貌、反射光谱以及对亚甲基蓝降解的速率变化、对降解亚甲基蓝的动力学曲线和吸光度图谱与实施例7相似。
Claims (1)
1.一种钽/铌酸盐光催化材料作为光催化剂的应用，其特征在于，该钽/铌酸盐光催化剂的化学通式为MnTiM2O8，其中M为Ta或Nb。
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