CN105457620A - 一种纳米铌酸锂-石墨烯复合光催化剂制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米铌酸锂-石墨烯复合光催化剂制备方法，本发明采用一维纳米结构的KNbO₃作为反应物，从而非常有效地促进了纳米结构LiNbO₃的合成，最终制得纳米铌酸锂-石墨烯复合光催化剂，本发明的制备方法工艺简单，操作简便，无需特殊设备和苛刻条件，可控性强，容易实现规模化生产，具有实用性，有效实现了制备周期短、光催化活性高的技术效果。

Description

一种纳米铌酸锂-石墨烯复合光催化剂制备方法

技术领域

本发明涉及一种纳米铌酸锂-石墨烯复合光催化剂制备方法。

背景技术

当今社会，环境污染和能源短缺问题并存，随着工业生产的迅速发展，大量的能源物质(煤、石油等)被消耗，同时大量的废物也被排入自然界中，威胁着人类的生活和工农业生产。近年来，光催化技术越来越受到人们的关注，由于其节能、高效、清洁无毒等优点，在环境污染治理领域被广泛看好，具有广阔的发展前景。其核心问题在于如何设计、开发和研制高效的光催化剂。

目前的光催化剂中，TiO₂以其低成本、高催化活性、安全无毒、强抗氧化能力、高化学稳定性及无二次污染等一系列优点，成为近几年来应用最广泛的光催化材料之一。但是纯TiO₂(锐钛矿型)的吸收带隙为3.2eV，其对应的吸收波长为387nm，只能利用占太阳光谱范围4％的紫外光部分，对太阳光的有效利用率低和较低的光量子效率是限制光催化实用化和工业化的主要原因。

鉴于TiO₂存在的这些缺陷，研发新型高效可见光响应的光催化剂，是利用太阳能净化环境的关键。铌酸锂(LiNbO₃)是一种非常重要的多性能材料，是目前已知居里温度最高(约1210℃)和自发极化最大(室温时约为0.7C/cm²)的铁电晶体，具有压电、铁电、光电、非线性光学、热电和光折变效应等一系列特殊性质。近年来，铌酸锂粉体还被证实具有一定的光催化活性，逐渐成为各国科学家研究的热点之一。石墨烯具有良好的导电性能，通过氧化石墨获得的石墨烯表面富含含氧官能团，便于与无机纳米颗粒复合形成复合材料。因此，制备铌酸锂-石墨烯复合光催化剂既具有较高的科学价值又对环境治理有较大的实际意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种纳米铌酸锂-石墨烯复合光催化剂制备方法，制造出来成品纳米铌酸锂-石墨烯复合光催化剂，实现制备周期短、光催化活性高的技术效果。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种纳米铌酸锂-石墨烯复合光催化剂制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

一)、配制氧化石墨烯胶体悬浮液：以石墨粉为原料，利用Hummers法制备氧化石墨烯，然后用蒸馏水离心清洗氧化石墨烯，其后再将离心后的氧化石墨烯超声分散在蒸馏水中；

二)、配制纳米铌酸锂-氧化石墨烯复合物：选取KOH、Nb₂O₅和去离子水，其各组分含量分别为38.7wt％KOH、0.4wt％Nb2O5和60.9wt％H2O，将三种材料通过水热合成工艺制得KNbO3纳米线，然后选取LiNO₃粉末材料与上述工艺制得的KNbO₃纳米线按摩尔比6：1分别混合于去离子水中，形成LiNO₃溶液，将该溶液加入剥离处理后的氧化石墨烯胶体悬浮液中超声分散10-20min，接着将上述KNbO₃溶液缓慢加入氧化石墨烯胶体悬浮液中，搅拌并超声分散10-20min，即制得纳米铌酸锂-氧化石墨烯复合物；

三)、配制纳米铌酸锂-石墨烯复合物：将步骤二中制得的纳米铌酸锂-氧化石墨烯复合物置于微波反应器中，微波反应器内部温度设置在70℃下反应40-60min，即制得纳米铌酸锂-石墨烯复合物；

四)、配置纳米铌酸锂-石墨烯光催化剂：将步骤三中制得的纳米铌酸锂-石墨烯复合物进行离心分离工艺，其后用二次蒸馏水进行洗涤、干燥，最后制得所需的纳米铌酸锂-石墨烯光催化剂。

作为一种改进，所述步骤一得到的氧化石墨烯溶液浓度为2.0-3.0g/L。

作为一种改进，步骤一中的超声分散时间为20-40min。

作为一种改进，步骤二中氧化石墨烯与铌酸锂的溶剂质量比为1:1。

作为一种改进，步骤三中反应温度为95℃，反应时间为50min。

作为一种改进，步骤三中全程采用磁力搅拌和水冷却。

本发明采用的技术方案，其有益效果在于：本发明采用一维纳米结构的KNbO₃作为反应物，从而非常有效地促进了纳米结构LiNbO₃的合成，本发明的制备方法工艺简单，操作简便，无需特殊设备和苛刻条件，可控性强，容易实现规模化生产，具有实用性，有效实现了制备周期短、光催化活性高的技术效果。

附图说明

图1是纳米铌酸锂-石墨烯复合光催化剂制备工艺示意框图；

图2是微波反应器为太阳能微博反应器工作的原理图；

图3是一种纳米铌酸锂-石墨烯复合光催化剂生产设备结构示意图。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明进行详细的说明。

实施例1：

如图1所示，包括如下步骤：

第一步：配制氧化石墨烯胶体悬浮液：

首先，以石墨粉为原料，利用Hummers法制备氧化石墨烯；然后，用蒸馏水离心清洗氧化石墨烯；最后，将离心后的氧化石墨烯超声分散在蒸馏水中,超声分散作用时间为20-40min，氧化石墨烯溶液浓度为2.0g/L。

第二步：制备纳米铌酸锂-氧化石墨烯复合物：

首先，用氢氧化钠溶液对第一步的产物进行剥离处理；

其次，以38.7wt％KOH、0.4wt％Nb2O5和60.9wt％H2O的混合物为原料，在150℃下水热反应5天，得到纯净的KNbO₃纳米线；

然后，将LiNO₃粉末和上述制备的KNbO₃纳米线按摩尔比6:1分别混合于去离子水中；

最后，将上述LiNO₃溶液加入剥离处理后的氧化石墨烯胶体悬浮液中超声分散10-20min，接着将上述KNbO₃溶液缓慢加入氧化石墨烯胶体悬浮液中，搅拌并超声分散10-20min，得到质量比为1:1的铌酸锂-氧化石墨烯复合物。

第三步：制备纳米铌酸锂-石墨烯复合物：

将第二步得到的产物至于微波反应器中，70℃、磁力搅拌、循环水冷却条件下反应50min。

第四步：制备纳米铌酸锂-石墨烯光催化剂：

将第三步得到的产物离心分离，用二次蒸馏水进行洗涤和干燥，即制得纳米铌酸锂-石墨烯复合光催化剂。

实施例2：

第一步：配制氧化石墨烯胶体悬浮液：

首先，以石墨粉为原料，利用Hummers法制备氧化石墨烯；然后，用蒸馏水离心清洗氧化石墨烯；最后，将离心后的氧化石墨烯超声分散在蒸馏水中,超声分散作用时间为20-40min，氧化石墨烯溶液浓度为2.5g/L。

第二步：制备纳米铌酸锂-氧化石墨烯复合物：

同实施例1中第二步。

第三步：制备纳米铌酸锂-石墨烯复合物：

将第二步得到的产物至于微波反应器中，95℃、磁力搅拌、循环水冷却条件下反应50min。

第四步：制备纳米铌酸锂-石墨烯光催化剂：

将第三步得到的产物离心分离，用二次蒸馏水进行洗涤和干燥，即制得纳米铌酸锂-石墨烯复合光催化剂。

实施例3：

第一步：配制氧化石墨烯胶体悬浮液：

首先，以石墨粉为原料，利用Hummers法制备氧化石墨烯；然后，用蒸馏水离心清洗氧化石墨烯；最后，将离心后的氧化石墨烯超声分散在蒸馏水中,超声分散作用时间为20-40min，氧化石墨烯溶液浓度为3.0g/L。

第二步：制备纳米铌酸锂-氧化石墨烯复合物：

同实施例1中第二步。

第三步：制备纳米铌酸锂-石墨烯复合物：

将第二步得到的产物至于微波反应器中，100℃、磁力搅拌、循环水冷却条件下反应50min。

第四步：制备纳米铌酸锂-石墨烯光催化剂：

将第三步得到的产物离心分离，用二次蒸馏水进行洗涤和干燥，即制得纳米铌酸锂-石墨烯复合光催化剂。

如上实施例所述微波反应器为太阳能微博反应器，其作用原理如图2所示。

本实施例中，如图2，各标记对应名称分别为：1、太阳能发电装置；2、空气能发电装置；3、烟气能发电装置；4、供电装置；5、电能无缝切换器；6、微波变频控制器；7、磁力搅拌装置；8、搅拌器；9、进料口；10、出料口；11、红外温度传感器；12、彩色液晶显示器。

上述太阳能微波反应器作用实施步骤如下：

第一步、打开太阳能发电装置1或空气能发电装置2、烟气能发电装置3、供电装置4与电能无缝切换器5，太阳能发电装置、空气能发电装置、烟气能发电装置、供电装置均与电能无缝切换器单向连接，以及微波变频控制器6开关，微波变频控制器连接磁力搅拌装置7；所述供电装置供电为市电。

优选微波变频控制器6功率自动变化范围为0—80000W，档距100—500W，在每一档位，太阳能微波反应器功率在0到该档最大功率之间随反应温度自动调节。

第二步、打开进料口9阀门，将反应物料送入太阳能微波反应器内，在电磁7微波和搅拌器8的双搅拌下进行充分反应。

第三步、打开红外温度传感器11和彩色液晶显示器12开关，实时监测和控制微波反应器内的温度、及时掌握合成反应情况，监控和调节反应条件。

第四、合成反应好的液体从出料口10阀门排出。

本实施例中，如图3，一种纳米铌酸锂-石墨烯复合光催化剂生产设备，包括离心装置Ⅰ(1、离心装置Ⅱ(2、热反应釜(3、超声波分散装置Ⅰ(4、超声波分散装置Ⅱ(5、微波反应装置(6，所述微波反应装置内设有磁力搅拌装置(7，所述离心装置Ⅰ与超声波分散装置Ⅰ并节后和热反应釜并接且共同连通至超声波分散装置Ⅱ，所述超声波分散装置Ⅱ连通至微波反应装置，所述微波反应装置Ⅱ连通至离心装置Ⅱ。

除上述优选实施例外，本发明还有其他的实施方式，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变和变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求所定义的范围。

Claims (6)

1.一种纳米铌酸锂-石墨烯复合光催化剂制备方法，其特征在于：包括如下步骤：一)、配制氧化石墨烯胶体悬浮液：以石墨粉为原料，利用hummers法制备氧化石墨烯，然后用蒸馏水离心清洗氧化石墨烯，其后再将离心后的氧化石墨烯超声分散在蒸馏水中；二)、配制纳米铌酸锂-氧化石墨烯复合物：选取KOH、Nb2O5和去离子水，其各组分含量分别为38.7wt％KOH、0.4wt％Nb2O5和60.9wt％H2O，将三种材料通过水热合成工艺制得KNbO₃纳米线，然后选取LiNO₃粉末材料与上述工艺制得的KNbO₃纳米线按摩尔比6：1分别混合于去离子水中，形成LiNO₃溶液，将该溶液加入剥离处理后的氧化石墨烯胶体悬浮液中超声分散10-20min，接着将上述KNbO3溶液缓慢加入氧化石墨烯胶体悬浮液中，搅拌并超声分散10-20min，即制得纳米铌酸锂-氧化石墨烯复合物；三)、配制纳米铌酸锂-石墨烯复合物：将步骤二中制得的纳米铌酸锂-氧化石墨烯复合物置于微波反应器中，微波反应器内部温度设置在70℃下反应40-60min，即制得纳米铌酸锂-石墨烯复合物；四)、配置纳米铌酸锂-石墨烯光催化剂：将步骤三中制得的纳米铌酸锂-石墨烯复合物进行离心分离工艺，其后用二次蒸馏水进行洗涤、干燥，最后制得所需的纳米铌酸锂-石墨烯光催化剂。

2.根据权利要求1所述的纳米铌酸锂-石墨烯复合光催化剂制备方法，其特征在于：所述步骤一得到的氧化石墨烯溶液浓度为2.0-3.0g/L。

3.根据权利要求1所述的纳米铌酸锂-石墨烯复合光催化剂制备方法，其特征在于：步骤一中的超声分散时间为20-40min。

4.根据权利要求1所述的纳米铌酸锂-石墨烯复合光催化剂制备方法，其特征在于：步骤二中氧化石墨烯与铌酸锂的溶剂质量比为1:1。

5.根据权利要求1所述的纳米铌酸锂-石墨烯复合光催化剂制备方法，其特征在于：步骤三中反应温度为95℃，反应时间为50min。

6.根据权利要求1所述的纳米铌酸锂-石墨烯复合光催化剂制备方法，其特征在于：步骤三中全程采用磁力搅拌和水冷却。