CN108479749A - 一种金属离子掺杂钒酸盐纳米催化剂的合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金属离子掺杂钒酸盐纳米催化剂的合成方法，属于光催化剂制备技术领域。将过渡金属盐、偏钒酸铵、二水合草酸、六次亚甲基四铵按一定比例溶于蒸馏水中，超声溶解得到前驱体，将前驱体移入含有基底的高压反应釜中进行水热反应，反应结束后将负载有过渡金属钒酸盐纳米线的基底洗净，干燥，之后将负载有过渡金属钒酸盐纳米线的基底在10‑100℃下浸泡在可溶性金属盐溶液中，取出、清洗、干燥，最后通过煅烧处理得到所述的一种金属离子掺杂钒酸盐纳米光催化剂，本发明制备工艺简单，反应条件温和且因纳米线比表面积大、反应时间短，全过程无二次污染物产生，制备的光催化剂具有优良的光催化性能，能够在太阳光下降解有机污染物或光解水产氢或去除气相中有机物。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属离子掺杂钒酸盐纳米催化剂的合成方法，属于纳米光催化剂材料制备技术领域。
技术背景
随着现代工业的不断发展，环境问题和能源危机是人类社会面临和急需解决的重大课题。太阳能是一种永不枯竭的自然能源，在资源日益减少的今天，太阳能的开发是替代传统能源的方法之一，而当前半导体太阳能催化技术则是很好的结合了能源和环境两大问题的一个关键点，因为通过将太阳能光子照射，光催化剂激发载流子迁移，使水转化为洁净的可以进行实际应用的氢能源，将非常有效的解决化石能源枯竭、气体温室、环境效应等带来的危机，而光催化降解利用空穴载流子的氧化作用可以很好的消除有毒有机污染物利用光催化降解环境污染物，提高能源的循环利用，具有在室温条件，将进一步成为解决环境污染问题的一条廉价可行的途径。
钒酸盐是一类优良的功能材料，被广泛应用于荧光及激光材料领域。最新的研究表明，单斜晶相钒酸盐因其较窄的窄带宽度(2.3～2.4eV),在可见光区较高的光催化活性，而表现出良好的光催化领域的发展潜力。已报道的有钒酸铋、钒酸银、钒酸铟、钒酸铁、钒酸锌、钒酸锡、钒酸钨等均是高活性光催化剂。然而，由于钒酸盐光催化剂的光量子效率较低和光生电子-空穴对的复合几率较高，导致其光催化剂效率受限。因此，为了提高钒酸盐的光催化活性，需要将钒酸盐与金属离子掺杂。
金属离子可以提供电子转移轨道，能增强光生载流子在界面的俘获；稀土离子半径较大，掺杂晶格后，易引起晶格畸变，使晶格内化学键发生扭曲，产生氧空位，作为光生空穴的俘获中心，增加了光生电子空穴的分离时间，促进其发生分离，从而提高催化性能。
Chen等人(Microwave assisted synthesis of sheet-like Cu/BiVO4 and itsactivities of various photocatalytic conditions.J Solid State Chem.2015；229:141-9.)利用微波辅助水热合成片状Cu掺杂BiVO4光催化材料，制得的复合催化剂光响应范围拓宽了，材料的比表面积增加，光催化性能提高。Gao等人(Effects of pH on thehierarchical structures and photocatalytic performance of Cu-doped BiVO4prepared via the hydrothermal method.Mat Sci Semicon Proc.2015；35:197-206.)通过水热法制备不同pH条件下多级结构的Cu掺杂BiVO4光催化剂。Chala等人(Enhancedvisible-light-response photocatalytic degradation of methylene blue on Fe-loaded BiVO4 photocatalyst.Journal of Alloys and Compounds，2014，597:129-135)采用水热法制备了Fe-BiVO4样品，在可见光照射条件下，以亚甲基蓝为目标降解物的光催化实验中，Fe的掺入量为5﹪，Fe-BiVO4光催化剂对亚甲基蓝的降解率为81％。Huang等人(Enhanced photocatalytic activity of tetragonal BiVO4:Influenced by rareearth ion Yb3+.Mater Lett.2014；133:20-3.)用微博水热法制备了不同浓度Yb3+掺杂BiVO4的光催化材料，同等条件下，掺杂样品降解效率比单体高出80％。但上述水热处理方法需要水热反应釜，水热处理时间过长，温度较高。微波法的微波发生器价格贵，而且现行的微波发生器的体积过小，限制了光催化剂产品的产量。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，目的在于提供一种金属离子掺杂钒酸盐纳米催化剂的合成方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种金属离子掺杂钒酸盐纳米催化剂的合成方法，其特征在于：所述制备方法是指将过渡金属盐、偏钒酸铵、二水合草酸、六次亚甲基四铵按一定比例溶于蒸馏水中，超声溶解得到前驱体，将前驱体移入含有基底的高压反应釜中进行水热反应，反应结束后将负载有过渡金属钒酸盐纳米线的基底洗净，干燥，之后将负载有过渡金属钒酸盐纳米线的基底在10-100℃下浸泡在可溶性金属盐溶液中，取出、清洗、干燥，最后通过煅烧处理得到所述的一种金属离子掺杂钒酸盐纳米光催化剂，制备方法按以下步骤进行：
a将过渡金属盐、偏钒酸铵、二水合草酸、六次亚甲基四铵加入到蒸馏水中，超声溶解得到前驱体，其中偏钒酸铵的浓度为0.2～1mol/L，偏钒酸铵和过渡金属盐的浓度比为1:6～1:20，二水合草酸和过渡金属盐的浓度比为1:3～1:10，六次亚甲基四铵和过渡金属盐的浓度比为1:3～1:6；
b清洗基底，将清洗后的基底放入高压反应釜内衬中；
c将经a步骤配制好的前驱体溶液转移至装有基底的高压反应釜内衬中后，在90～150℃反应40～120min，取出反应釜在室温自然冷却后，将反应后负载有过渡金属钒酸盐纳米线的基底取出，用蒸馏水冲洗，在烘箱中30～100℃干燥；
d取将c步骤干燥后的负载有过渡金属钒酸盐纳米线的基底在10-100℃下浸泡在0.01-1mol/L金属盐溶液中1～24h；
e取在c步骤中在金属盐溶液中浸泡后的负载有过渡金属钒酸盐纳米线的基底，在马弗炉中以0.5～2℃/min的升温速率，加热到200～300℃，保温2～5h,既得所述的一种金属离子掺杂钒酸盐纳米光催化剂。
所述的过渡金属盐为铋盐、铟盐、铁盐、锌盐、锡盐、银盐、钨盐、铜盐中的一种。
所述的基底为碳布或棉布或钛片或不锈钢钢丝网或泡沫镍中的一种。
所述的可溶性金属盐为铂盐、镧盐、铈盐、钐盐、铕盐、钆盐、镱盐、锰盐、钴盐、钕盐中的一种。
所述的金属离子掺杂光催化剂能够在太阳光下降解废水中有机污染物或光解水产氢或去除气相中有机物。
所述的过渡金属光催化剂能够在太阳光下降解有机污染物或光解水产氢。由于采用了以上技术方案，一种金属离子掺杂钒酸盐纳米催化剂的合成方法，是先制得过渡金属钒酸盐纳米线，再将过渡金属钒酸盐纳米线置于金属盐溶液中浸泡，采用离子交换的方法制得金属离子掺杂钒酸盐纳米催化剂，本发明反应条件温和且因纳米线的比表面积大、反应时间短，制备出的产品长在棉布等成本较低的基底上，工艺简单，操作简便，全过程无二次污染物产生，制备的光催化剂具有优良的光催化性能，金属离子的掺杂能加速光催化剂中光生载流子的迁移，抑制电子与空穴的复合，从而实现电子-空穴的有效分离，增加量子产率，提高光催化剂的催化活性。同时，金属离子的掺杂使光催化剂的光吸收边红移至可见光区。因此本发明的一种金属离子掺杂钒酸盐光催化剂，能够在太阳光下降解有机污染物或光解水产氢，是一种生产成本低且简单易行的高可见光活性光催化剂制备方法。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述。
实施例1
a将铋盐、偏钒酸铵、二水合草酸、六次亚甲基四铵加入到蒸馏水中，超声混合配成混合液得到前驱体，其中偏钒酸铵的浓度为0.2mol/L，铋盐的浓度为1.2mol/L，二水合草酸的浓度为0.4mol/L，六次亚甲基四铵的浓度为0.4mol/L；
b清洗碳布，将清洗后的碳布放入高压反应釜内衬中；
c将经a步骤配制好的前驱体溶液转移至装有碳布的高压反应釜内衬中后，在90℃反应40min，取出反应釜在室温自然冷却后，将反应后负载有钒酸铋纳米线的碳布取出，用蒸馏水冲洗，在烘箱中30℃干燥；
d取将c步骤干燥后的负载有钒酸铋纳米线的碳布在10-100℃下浸泡在0.01mol/L铂盐溶液中1h；
e取在d步骤中在铂盐溶液中浸泡后的负载有钒酸铋纳米线的碳布，在马弗炉中以0.5℃/min的升温速率，加热到200℃，保温2h,既得所述的一种铂离子掺杂钒酸铋纳米光催化剂。
实施例2
a将铟盐、偏钒酸铵、二水合草酸、六次亚甲基四铵加入到蒸馏水中，超声混合配成混合液得到前驱体，其中偏钒酸铵的浓度为1mol/L，铟盐的浓度为20mol/L，二水合草酸的浓度为2mol/L，六次亚甲基四铵的浓度为3mol/L；
b清洗棉布，将清洗后的棉布放入高压反应釜内衬中；
c将经a步骤配制好的前驱体溶液转移至装有棉布的高压反应釜内衬中后，在150℃反应120min，取出反应釜在室温自然冷却后，将反应后负载有钒酸铟的棉布取出，用蒸馏水冲洗，在烘箱中100℃干燥；
d取将c步骤干燥后的负载有钒酸铟纳米线的碳布在10-100℃下浸泡在1mol/L镧盐溶液中24h；
e取在d步骤中在镧盐溶液中浸泡后的负载有钒酸铟纳米线的碳布，在马弗炉中以2℃/min的升温速率，加热到300℃，保温5h,既得所述的一种镧离子掺杂钒酸铟纳米光催化剂。
实施例3
a将铁盐、偏钒酸铵、二水合草酸、六次亚甲基四铵加入到蒸馏水中，超声混合配成混合液得到前驱体，其中偏钒酸铵的浓度为0.5mol/L，铁盐的浓度为5mol/L，二水合草酸的浓度为1mol/L，六次亚甲基四铵的浓度为1mol/L；
b清洗钛片，将清洗后的钛片放入高压反应釜内衬中；
c将经a步骤配制好的前驱体溶液转移至装有钛片的高压反应釜内衬中后，在90℃反应80min，取出反应釜在室温自然冷却后，将反应后负载有钒酸铁纳米线的钛片取出，用蒸馏水冲洗，在烘箱中80℃干燥；
d取将c步骤干燥后的负载有钒酸铁纳米线的碳布在10-100℃下浸泡在0.1mol/L铈盐溶液中10h；
e取在d步骤中在铈盐溶液中浸泡后的负载有钒酸铁纳米线的碳布，在马弗炉中以1℃/min的升温速率，加热到250℃，保温3h,既得所述的一种铈离子掺杂钒酸铁纳米光催化剂。
实施例4
a将锌盐、偏钒酸铵、二水合草酸、六次亚甲基四铵加入到蒸馏水中，超声混合配成混合液得到前驱体，其中偏钒酸铵的浓度为0.2mol/L，锌盐的浓度为1.2mol/L，二水合草酸的浓度为0.4mol/L，六次亚甲基四铵的浓度为0.4mol/L；
b清洗不锈钢钢丝网，将清洗后的不锈钢钢丝网放入高压反应釜内衬中；
c将经a步骤配制好的前驱体溶液转移至装有不锈钢钢丝网的高压反应釜内衬中后，在90℃反应40min,取出反应釜在室温自然冷却后，将反应后负载有钒酸锌纳米线的不锈钢钢丝网取出，用蒸馏水冲洗，在烘箱中30℃干燥；
d取将c步骤干燥后的负载有钒酸锌纳米线的碳布在10-100℃下浸泡在0.01mol/L钐盐溶液中1h；
e取在d步骤中在钐盐溶液中浸泡后的负载有钒酸锌纳米线的碳布，在马弗炉中以1℃/min的升温速率，加热到250℃，保温3h,既得所述的一种钐离子掺杂钒酸锌纳米光催化剂。
实施例5
a将锡盐、偏钒酸铵、二水合草酸、六次亚甲基四铵加入到蒸馏水中，超声混合配成混合液得到前驱体，其中偏钒酸铵的浓度为1mol/L，锡盐的浓度为20mol/L，二水合草酸的浓度为2mol/L，六次亚甲基四铵的浓度为3mol/L；
b清洗泡沫镍，将清洗后的泡沫镍放入高压反应釜内衬中；
c将经a步骤配制好的前驱体溶液转移至装有泡沫镍的高压反应釜内衬中后，在150℃反应120min，取出反应釜在室温自然冷却后，将反应后负载有钒酸锡的泡沫镍取出，用蒸馏水冲洗，在烘箱中100℃干燥；
d取将c步骤干燥后的负载有钒酸锡纳米线的泡沫镍在10-100℃下浸泡在1mol/L铕盐溶液中1h；
e取在d步骤中在铕盐溶液中浸泡后的负载有钒酸锡纳米线的泡沫镍，在马弗炉中以2℃/min的升温速率，加热到300℃，保温5h,既得所述的一种铕离子掺杂钒酸锡纳米光催化剂。
实施例6
a将银盐、偏钒酸铵、二水合草酸、六次亚甲基四铵加入到蒸馏水中，超声混合配成混合液得到前驱体，其中偏钒酸铵的浓度为0.2mol/L，银盐的浓度为1.2mol/L，二水合草酸的浓度为0.4mol/L，六次亚甲基四铵的浓度为0.4mol/L；
b清洗碳布，将清洗后的碳布放入高压反应釜内衬中；
c将经a步骤配制好的前驱体溶液转移至装有碳布的高压反应釜内衬中后，在90℃反应40min，取出反应釜在室温自然冷却后，将反应后负载有钒酸银纳米线的碳布取出，用蒸馏水冲洗，在烘箱中30℃干燥；
d取将c步骤干燥后的负载有钒酸银纳米线的碳布在10-100℃下浸泡在0.1mol/L钆盐溶液中1h；
e取在d步骤中在钆盐溶液中浸泡后的负载有钒酸银纳米线的碳布，在马弗炉中以0.5℃/min的升温速率，加热到200℃，保温2h,既得所述的一种钆离子掺杂钒酸银纳米光催化剂。
实施例7
a将钨盐、偏钒酸铵、二水合草酸、六次亚甲基四铵加入到蒸馏水中，超声混合配成混合液得到前驱体，其中偏钒酸铵的浓度为1mol/L，钨盐的浓度为20mol/L，二水合草酸的浓度为2mol/L，六次亚甲基四铵的浓度为3mol/L；
b清洗棉布，将清洗后的棉布放入高压反应釜内衬中；
c将经a步骤配制好的前驱体溶液转移至装有棉布的高压反应釜内衬中后，在150℃反应120min，取出反应釜在室温自然冷却后，将反应后负载有钒酸钨的棉布取出，用蒸馏水冲洗，在烘箱中100℃干燥；
d取将c步骤干燥后的负载有钒酸钨纳米线的碳布在10-100℃下浸泡在0.01mol/L镱盐溶液中10h；
e取在d步骤中在镱盐溶液中浸泡后的负载有钒酸钨纳米线的碳布，在马弗炉中以2℃/min的升温速率，加热到300℃，保温5h,既得所述的一种镱离子掺杂钒酸钨纳米光催化剂。
实施例8
a将铜盐、偏钒酸铵、二水合草酸、六次亚甲基四铵加入到蒸馏水中，超声混合配成混合液得到前驱体，其中偏钒酸铵的浓度为0.5mol/L，铜盐的浓度为5mol/L，二水合草酸的浓度为1mol/L，六次亚甲基四铵的浓度为1mol/L；
b清洗钛片，将清洗后的钛片放入高压反应釜内衬中；
c将经a步骤配制好的前驱体溶液转移至装有钛片的高压反应釜内衬中后，在90℃反应80min，取出反应釜在室温自然冷却后，将反应后负载有钒酸铜纳米线的钛片取出，用蒸馏水冲洗，在烘箱中80℃干燥；
d取将c步骤干燥后的负载有钒酸铜纳米线的碳布在10-100℃下浸泡在1mol/L锰盐溶液中24h；
e取在d步骤中在锰盐溶液中浸泡后的负载有钒酸铜纳米线的碳布，在马弗炉中以1℃/min的升温速率，加热到250℃，保温3h,既得所述的一种锰离子掺杂钒酸铜纳米光催化剂。
实施例9
a将钨盐、偏钒酸铵、二水合草酸、六次亚甲基四铵加入到蒸馏水中，超声混合配成混合液得到前驱体，其中偏钒酸铵的浓度为1mol/L，钨盐的浓度为20mol/L，二水合草酸的浓度为2mol/L，六次亚甲基四铵的浓度为3mol/L；
b清洗棉布，将清洗后的棉布放入高压反应釜内衬中；
c将经a步骤配制好的前驱体溶液转移至装有棉布的高压反应釜内衬中后，在150℃反应120min，取出反应釜在室温自然冷却后，将反应后负载有钒酸钨的棉布取出，用蒸馏水冲洗，在烘箱中100℃干燥；
d取将c步骤干燥后的负载有钒酸钨纳米线的碳布在10-100℃下浸泡在0.1mol/L钴盐溶液中10h；
e取在d步骤中在钴盐溶液中浸泡后的负载有钒酸钨纳米线的碳布，在马弗炉中以2℃/min的升温速率，加热到300℃，保温5h,既得所述的一种钴离子掺杂钒酸钨纳米光催化剂。
实施例10
a将铜盐、偏钒酸铵、二水合草酸、六次亚甲基四铵加入到蒸馏水中，超声混合配成混合液得到前驱体，其中偏钒酸铵的浓度为0.5mol/L，铜盐的浓度为5mol/L，二水合草酸的浓度为1mol/L，六次亚甲基四铵的浓度为1mol/L；
b清洗钛片，将清洗后的钛片放入高压反应釜内衬中；
c将经a步骤配制好的前驱体溶液转移至装有钛片的高压反应釜内衬中后，在90℃反应80min，取出反应釜在室温自然冷却后，将反应后负载有钒酸铜纳米线的钛片取出，用蒸馏水冲洗，在烘箱中80℃干燥；
d取将c步骤干燥后的负载有钒酸铜纳米线的碳布在10-100℃下浸泡在0.01mol/L钕盐溶液中24h；
e取在d步骤中在钕盐溶液中浸泡后的负载有钒酸铜纳米线的碳布，在马弗炉中以1℃/min的升温速率，加热到250℃，保温3h,既得所述的一种钕离子掺杂钒酸铜纳米光催化剂。
Claims (5)
1.一种金属离子掺杂钒酸盐纳米催化剂的合成方法，其特征在于：所述制备方法是指将过渡金属盐、偏钒酸铵、二水合草酸、六次亚甲基四铵按一定比例溶于蒸馏水中，超声溶解得到前驱体，将前驱体移入含有基底的高压反应釜中进行水热反应，反应结束后将负载有过渡金属钒酸盐纳米线的基底洗净，干燥，之后将负载有过渡金属钒酸盐纳米线的基底在10-100℃下浸泡在可溶性金属盐溶液中，取出、清洗、干燥，最后通过煅烧处理得到所述的一种金属离子掺杂钒酸盐纳米光催化剂，制备方法按以下步骤进行：
a将过渡金属盐、偏钒酸铵、二水合草酸、六次亚甲基四铵加入到蒸馏水中，超声溶解得到前驱体，其中偏钒酸铵的浓度为0.2～1mol/L，偏钒酸铵和过渡金属盐的浓度比为1:6～1:20，二水合草酸和过渡金属盐的浓度比为1:3～1:10，六次亚甲基四铵和过渡金属盐的浓度比为1:3～1:6；
b清洗基底，将清洗后的基底放入高压反应釜内衬中；
c将经a步骤配制好的前驱体溶液转移至装有基底的高压反应釜内衬中后，在90～150℃反应40～120min，取出反应釜在室温自然冷却后，将反应后负载有过渡金属钒酸盐纳米线的基底取出，用蒸馏水冲洗，在烘箱中30～100℃干燥；
d将c步骤干燥后的负载有过渡金属钒酸盐纳米线的基底在10-100℃下浸泡在0.01-1mol/L金属盐溶液中1～24h；
e取在c步骤中在金属盐溶液中浸泡后的负载有过渡金属钒酸盐纳米线的基底，在马弗炉中以0.5～2℃/min的升温速率，加热到200～300℃，保温2～5h,既得所述的一种金属离子掺杂钒酸盐纳米光催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种金属离子掺杂钒酸盐纳米催化剂的合成方法，其特征在于：所述的过渡金属盐为铋盐、铟盐、铁盐、锌盐、锡盐、银盐、钨盐、铜盐中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种金属离子掺杂钒酸盐纳米催化剂的合成方法，其特征在于：所述的基底为碳布或棉布或钛片或不锈钢钢丝网或泡沫镍中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种金属离子掺杂钒酸盐纳米催化剂的合成方法，其特征在于：所述的可溶性金属盐为铂盐、镧盐、铈盐、钐盐、铕盐、钆盐、镱盐、锰盐、钴盐、钕盐中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种金属离子掺杂钒酸盐纳米催化剂的合成方法，其特征在于：所述的金属离子掺杂光催化剂能够在太阳光下降解废水中有机污染物或光解水产氢或去除气相中有机物。
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