CN108543540B - 一种氟化铈/凹凸棒石上转换复合光催化材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于化工新材料领域,特别涉及一种氟化铈/凹凸棒石上转换复合光催化材料及其制备方法和应用。将Ce(NO3)3·6H2O,NH4F,凹凸棒石分别加入到去离子水中溶解,调节体系pH为4~5,并磁力搅拌混合均匀。然后将其转移到微波水热釜里进行水热反应,在功率400W下反应1‑3h。将制备的样品离心分离,然后烘干,研磨,即制得一种氟化铈/凹凸棒石上转换复合光催化材料。该材料应用于光催化脱硫领域,在3h光照下,脱硫率可达到90%。
Description
技术领域
本发明属于化工新材料领域,特别涉及一种氟化铈/凹凸棒石上转换复合光催化材料及其制备方法与应用。
背景技术
近年来,随着燃料油用量的不断增加,其中含有的含硫化合物燃烧排放出大量的SOx。燃油燃烧产生的硫氧化物(SOx)一直是酸雨和大气霾的主要来源之一,严重影响环境和人体健康。因此,生产低硫汽油是一种必然趋势。目前,在我国所使用的催化裂化汽油(简称FCC汽油)中硫含量在500~1600ppm,其中难以处理的含硫化合物主要有噻吩、烷基取代噻吩和苯并噻吩等。为了去除燃料中含有的硫化合物,已经广泛探索了催化加氢脱硫(HDS),氧化脱硫(ODS),吸附脱硫(ADS)和生物脱硫等各种方法。其中,传统的催化加氢脱硫技术成熟,但需要很高的压力、温度和昂贵的氢气。应该注意的是,即使在非常苛刻的条件下,包括二苯并噻吩(DBT)及其衍生物在内的大体积硫有机物也难以减少。然而,光催化氧化脱硫作为氧化脱硫的一种,因其拥有易操作、能耗低、无污染等特点,引起了广泛的关注。
凹凸棒石(ATP)作为一种天然的粘土材料,其具有较大的比表面积、优越的吸附性能和独特的空隙结构被广泛应用于催化剂载体。但是,由于其内部含有半导体性质的氧化铁,使得凹凸棒也具有半导体性质。南京理工大学Zhang J等(Nanotechnology,2013,24;Acs Sustainable Chemistry&Engineering,2016,4),曾利用其半导体性质,以CdS和曙红敏化凹凸棒用以光解水制氢,因此其半导体性质得到证实。然而由于其带隙较宽,仅可对紫外光响应,而紫外光只占太阳光的5%,所以对太阳光的利用率非常低下。
发明内容
为了充分利用太阳光能量中占多数的可见光,多种半导体复合形成异质结是最有效的一种方法。CeF3是一种具有独特物理和化学性能的功能性稀土氟化物,具有优良的上转换发光效应。
为了解决太阳光的利用率低的问题,本发明提供了一种氟化铈/凹凸棒石上转换复合光催化材料。通过在改性处理后的凹凸棒石表面原位生长复合粒径均匀的CeF3纳米粒子,构建Z型异质结,一方面,便于激发光生电子与空穴的分离并且使光生电子和空穴不易复合;另一方面,CeF3作为上转换发光材料,可将近红外光或可见光上转换为可见光或紫外光,扩大复合材料光响应范围,提高自然光的利用率。
本发明通过氟化铈与凹凸棒石(ATP)形成异质结,不仅减少光生电子与空穴的复合,而且扩大了半导体材料的光响应范围,提高了太阳光的利用率,从而大大提高了氟化铈/凹凸棒石上转换复合材料光催化的效果。
本发明提供的氟化铈/凹凸棒石上转换复合光催化材料由氟化铈(CeF3)和凹凸棒石(ATP)组成,其中,CeF3占ATP质量的10%~60%。
本发明还提供了一种氟化铈/凹凸棒石上转换复合光催化材料的制备方法,具体步骤为:
(1)将Ce(NO3)3·6H2O,NH4F,ATP加入到去离子水中超声波溶解,用稀盐酸调节体系pH为4~5,使其混合均匀。然后将其转移到微波水热釜里进行微波水热反应,设定功率400W,设定温度为150~170℃,时间设定为1~3h,得到复合光催化材料样品;
其中,Ce(NO3)3·6H2O和NH4F的摩尔比为1:3。
用稀盐酸调节体系PH值,一是为了对凹凸棒石进行改性;二是能够防止Ce(NO3)3·6H2O与水中的OH-生成Ce(OH)3,影响最终产物。
本发明微波水热的过程中反应生成氟化铈,该反应过程中CeF3是原位生长在凹凸棒石上,结合紧密。利用微波作为加热工具,实现了分子水平上的搅拌,克服了水热容器加热不均匀的缺点,缩短了反应时间,提高工作效率,有加热速度快,加热均匀,无温度梯度,无滞后效应等优点;最重要的是,合成的纳米颗粒均匀,粒径小,比表面积大,作为催化剂催化活性更高。
(2)将步骤(1)中制备的样品用离心机离心,清洗干净,然后将样品烘干,研磨,即制得氟化铈/凹凸棒石上转换复合光催化材料。
离心是取反应后下层悬浊液离心一次,转速6000r/min,时间5min。
烘干条件为:烘箱80℃烘干,10~12h。
本发明还提供了一种上述氟化铈/凹凸棒石上转换复合光催化材料的应用,即采用该复合光催化材料进行光催化脱硫。
本发明的有益效果在于:
本发明将稀土上转换发光材料与凹凸棒复合,间接地扩大了凹凸棒的光响应范围,更有效的提高了自然光的利用率。
本发明利用CeF3在经过酸化处理的ATP上原位生长(凹凸棒石在pH为4~5环境下ZETA电位为负,Ce3+与F-在凹凸棒石表面因静电自主装,实现原位生长。)得到复合光催化材料,避免了机械混合,结合紧密。
本发明中的凹凸棒作为半导体被激发生成光生电子与空穴,与CeF3形成异质结使光生电子与空穴难以复合,同时CeF3作为稀土上转换材料将可见光转为紫外光扩大了光响应范围,以降解含硫化合物。与此同时,因其本身具有较大的比表面积和独特的孔道结构,发挥了其他半导体不具备的特有吸附性能,在光催化脱硫过程中会吸附部分含硫化合物,从而提高脱硫率。
相比于普通水热反应制备的催化剂粒径不均匀,粒径较大,比表面积较小,催化剂活性较小;微波水热反应制备复合光催化材料时间短,催化剂粒径均匀,粒径较小,比表面积大催化剂催化活性更高。
附图说明
图1为本发明对比实施例1制备的CeF3、实施例1制备的40%CeF3/ATP及原料ATP的XRD图;
图2为本发明实施例1制备的40%CeF3/ATP的TEM图。
具体实施方式
实施例1
(1)将3.52g Ce(NO3)3·6H2O,0.90g NH4F,4.0g ATP加入到去离子水中超声波溶解,调节体系pH为4~5,并轻摇烧杯使其混合均匀。然后将其转移到微波水热釜里进行微波水热,设定温度为160℃,时间设定为70min;
(2)将步骤(1)中制备的样品用离心机离心,再水洗干净。然后将样品烘干,研磨,即制得氟化铈/凹凸棒石转换复合光催化材料40%CeF3/ATP。
对所得样品进行X射线粉末衍射表征其结构和组成,并且利用透射电子显微镜观察样品的TEM图片,按照实施例1的工艺制备的40%CeF3/ATP的XRD图如图1所示,复合材料中分别出现了CeF3和ATP的特征峰,说明CeF3成功与ATP复合,制备出了CeF3/ATP上转换复合光催化材料;
本实施例1所得到的40%CeF3/ATP的TEM如图2所示:在凹凸棒石(ATP)的表面上均匀地分布着CeF3颗粒;
本发明还提供了一种利用本实施例制备的40%CeF3/ATP复合光催化材料进行光催化脱硫的方法:称取0.40g二苯并噻吩溶解在500ml正辛烷中以制备200ppm的模拟油,在光催化反应装置中加入40%CeF3/ATP和模拟油(质量比1:1000),暗吸附30min之后引入模拟太阳光,每隔半小时收集一次样品,加入N-N,二甲基甲酰胺萃取上层清液,用紫外荧光定硫仪测定硫含量,脱硫率(%)根据下列公式计算:
D=(1-Ct/C0)×100%
其中:C0为初始溶液的硫含量,Ct为反应t时间时溶液体系中的硫含量,在3h光照下,40%CeF3/ATP的脱硫率达到了90%。
实施例2
(1)将0.87g Ce(NO3)3·6H2O,0.22g NH4F,4.0g ATP加入到去离子水中超声波溶解,调节体系pH为4~5,并轻摇烧杯使其混合均匀。然后将其转移到微波水热釜里进行微波水热,设定温度为160℃,时间设定为70min;
(2)将步骤(1)中制备的样品用离心机离心,再水洗干净。然后将样品烘干,研磨,即制得氟化铈/凹凸棒上转换复合光催化材料10%CeF3/ATP。
后续检测如实施例1,脱硫率82%。
实施例3
(1)将2.65g Ce(NO3)3·6H2O,0.68g NH4F,4.0g ATP加入到去离子水中超声波溶解,调节体系pH为4~5,并轻摇烧杯使其混合均匀。然后将其转移到微波水热釜里进行微波水热,设定温度为160℃,时间设定为70min;
(2)将步骤(1)中制备的样品用离心机离心,再水洗干净。然后将样品烘干,研磨,即制得氟化铈/凹凸棒上转换复合光催化材料30%CeF3/ATP。
后续检测如实施例1,脱硫率87%。
实施例4
(1)将4.38g Ce(NO3)3·6H2O,1.12g NH4F,4.0g ATP加入到去离子水中超声波溶解,调节体系pH为4~5,并轻摇烧杯使其混合均匀。然后将其转移到微波水热釜里进行微波水热,设定温度为160℃,时间设定为70min
(2)将步骤(1)中制备的样品用离心机离心,再分别水洗离心一次,乙醇洗离心两次。然后将样品烘干,研磨,即制得氟化铈/凹凸棒上转换复合光催化材料50%CeF3/ATP。
后续检测如实施例1,脱硫率88%。
实施例5
(1)将5.30g Ce(NO3)3·6H2O,1.36g NH4F,4.0g ATP加入到去离子水中超声波溶解,调节体系pH为4~5,并轻摇烧杯使其混合均匀。然后将其转移到微波水热釜里进行微波水热,设定温度为160℃,时间设定为70min;
(2)将步骤(1)中制备的样品用离心机离心,再水洗干净。然后将样品烘干,研磨,即制得氟化铈/凹凸棒上转换复合光催化材料60%CeF3/ATP。
后续检测如实施例1,脱硫率86%。
对比实施例1
(1)将3.52g Ce(NO3)3·6H2O,0.90g NH4F加入到去离子水中超声波溶解,并轻摇烧杯使其混合均匀。然后将其转移到微波水热釜里进行微波水热,设定温度为160℃,时间设定为70min;
(2)将步骤(1)中制备的样品用离心机离心,水洗干净。然后将样品烘干,研磨,即制得氟化铈CeF3。
对所得样品进行X射线粉末衍射表征其结构和组成,按照对比实施例1的工艺制备的CeF3的XRD图如图1所示;
在3h光照下,本对比实施例制备的CeF3的脱硫率仅为63%,这是由于本对比实施例中只有稀土氟化物上转换材料,没有形成异质结的缘故。
Claims (4)
1.一种氟化铈/凹凸棒石上转换复合光催化材料,其特征在于:所述复合光催化材料由氟化铈(CeF3)和凹凸棒石(ATP)组成,其中,CeF3占ATP质量的 10%~60%;
所述的氟化铈/凹凸棒石上转换复合光催化材料的制备方法步骤如下:
(1)将Ce(NO3)3·6H2O,NH4F,ATP加入到去离子水中超声波溶解,调节体系pH为4~5,混合均匀,然后将其转移到微波水热釜里进行微波水热反应,得到光催化材料样品;所述Ce(NO3)3·6H2O和NH4F的摩尔比为1:3 ;
(2)将步骤(1)中制备的光催化材料样品用离心机离心,清洗干净,然后将样品烘干,研磨,即制得氟化铈/凹凸棒石复合光催化材料;
所述复合光催化材料用于光催化脱硫。
2.如权利要求1所述的氟化铈/凹凸棒石上转换复合光催化材料,其特征在于:步骤(1)所述微波功率为400W,微波水热反应温度为150~170℃,微波水热反应时间为1~3h。
3.如权利要求1所述的氟化铈/凹凸棒石上转换复合光催化材料,其特征在于:步骤(2)所述离心转速6000 r/min ,离心时间5min。
4.如权利要求2所述的氟化铈/凹凸棒石上转换复合光催化材料,其特征在于:步骤(2)所述烘干温度为80℃,烘干时间为10~12h。
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基于光波转换的TiO2纳米片光催化性能研究;孙琳;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技I辑》;20170415;正文第8-9、14、18-40页 * |
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