CN109174126A - 一种钙钛矿型层状结构的光催化剂及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光催化剂的技术领域,提供了一种钙钛矿型层状结构的光催化剂及制备方法。该方法先制备了钒掺杂的钙钛矿型层状光催化剂MLa2Ti2VO10(M为K、Na、Cs、Rb中的一种),然后利用硝酸溶液进行部分酸化,使层间距增大,再原位反应生成NiS负载于MLa2Ti2VO10光催化剂的表面及层间,制得所述钙钛矿型层状结构的光催化剂。与传统方法相比,本发明制备的光催化剂,禁带宽度较窄,可见光利用率高,可提高光生电子和空穴的分离效率,防止复合,催化效率高,可广泛用于光解水制氢及有机物降解等领域。

Description

一种钙钛矿型层状结构的光催化剂及制备方法
技术领域
本发明属于光催化剂的技术领域,提供了一种钙钛矿型层状结构的光催化剂及制备方法。
背景技术
目前在工业中常用的光催化剂由于具有室温深度反应和可以直接利用太阳能驱动反应等独特性,在能源环境领域发挥着日益重要的作用,已广泛用于环境净化,自清洁材料,先进新能源,癌症医疗,高效率抗菌等多个前沿领域。
目前常用的光催化剂主要有二氧化钛、氧化锌、氧化锡、二氧化锆、硫化镉等多种氧化物硫化物半导体。但目前大多数光催化剂对于可见光无法吸收,大大限制了光催化量子效率的提高。另外,光生载流子的复合也是限制催化量子效率的原因之一。因此目前对光催化剂的改性和开发新型催化剂已经成为光催化技术研究的热点方向。
层状化合物的突出特点之一就是利用层状空间使电子和空穴在不同反应点进行反应,层状结构化合物具有特殊层状主体的结构,层间距一般在几个纳米之间,处于分子水平,可以认为是纳米级的特殊材料。因此,钙钛矿型层状光催化剂,以它特有的结构在光催化领域成为国内外研究的热点,在用作光催化分解水制氢、降解有机染料、光催化还原CO2制备有机物、光降解有机污染物等重要光催化过程,向人们展示了比半导体光催化材料更诱人的应用前景。
中国发明专利申请号201210258924.2公开了一种钙钛矿型光催化剂的制备方法,包括以下步骤:(1)取钡盐、锶盐、钴盐、铁盐和柠檬酸,加入蒸馏水,混合溶解,密封加热至90~100℃,恒温搅拌3~4h,解除密封,继续加热至水蒸发形成胶体,将胶体保温干燥18~22h,保温温度为110~130℃;(2)将干燥后的样品取出,进行煅烧,将煅烧好的样品研磨,得到黑色粉末状光催化剂。该发明制得的光催化剂的缺陷是禁带宽,导致可见光利用率低,光生电子与空穴容易复合,导致光催化效率低。
中国发明专利申请号201710239643.5公开了一种层状钙钛矿型锶钽基三元氧化物光催化剂的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:(1)按Ta/Sr的摩尔比例为1 : 1~1 :1.4称取Ta2O5固体粉末与SrCO3固体粉末混合,再研磨均匀,得到混合前驱体粉末;(2)称取由NaCl和KCl构成的混合盐,与前驱体粉末混合研磨均匀得到混合物,混合盐与前驱体粉末的质量比为1 : 1~1 : 0.1;(3)采用高温马弗炉将混合物以750~850℃煅烧2~24h,反应结束后自然冷却至室温,得到再结晶盐与锶钽基氧化物混合物;(4)采用去离子水充分洗涤再结晶盐与锶钽基氧化物混合物,采用干燥箱将洗涤后的再结晶盐与锶钽基氧化物混合物置于60℃下干燥2~24h,再进行研磨,获得层状钙钛矿型锶钽基三元氧化物光催化剂的样品粉末。该发明制得的光催化剂的缺陷是可见光利用率及光催化效率仍然有待提高。
综上所述,现有技术中用于光催化降解有机物、光解水制氢等领域的光催化剂中,钙钛矿型层状结构的光催化剂存在禁带宽、可见光利用率低、以及光生电子与空穴容易复合、光催化效率低等缺点,因此开发一种可见光利用率高、催化效率高的钙钛矿型层状结构的光催化剂,有着重要的意义。
发明内容
可见,现有技术的钙钛矿型层状结构的光催化剂存在禁带宽、可见光利用率低、以及光生电子与空穴容易复合、光催化效率低等缺点。针对这种情况,本发明提出一种钙钛矿型层状结构的光催化剂及制备方法,可有效提高光催化剂的可见光利用率,同时提升光催化效率。
为实现上述目的,本发明涉及的具体技术方案如下:
一种钙钛矿型层状结构的光催化剂的制备方法,所述光催化剂制备的具体步骤如下:
(1)将硬脂酸加热搅拌熔融,然后依次加入硝酸镧、碳酸盐、钛酸丁酯及五氧化二钒,充分研磨,然后在空气中加热反应,再将产物洗涤干净,并高温干燥,制得钙钛矿型层状结构的MLa2Ti2VO10光催化剂粉末;
(2)将步骤(1)制得的MLa2Ti2VO10光催化剂粉末加入质量浓度为10~15%的硝酸溶液中,反应35~50h后,真空抽滤并风干,制得部分酸化的MLa2Ti2VO10光催化剂;
(3)将醋酸镍与硫脲溶于去离子水中,然后加入步骤(2)制得的部分酸化MLa2Ti2VO10光催化剂进行分散,加热回流反应,将所得沉淀洗涤,并高温焙烧,制得表面及层间负载NiS的MLa2Ti2VO10光催化剂。
优选的,步骤(1)所述碳酸盐为K2CO3、Na2CO3、Cs2CO3或Rb2CO3,相应的MLa2Ti2VO10为KLa2Ti2VO10、NaLa2Ti2VO10、CsLa2Ti2VO10、RbLa2Ti2VO10
优选的,步骤(1)所述各原料的重量份为,硝酸镧8~12重量份、碳酸盐3~6重量份、钛酸丁酯13~17重量份、五氧化二钒10~14重量份、硬脂酸51~66重量份。
优选的,步骤(1)所述反应的温度为1000~1200℃,时间为42~50h。
优选的,步骤(1)所述干燥的温度为500~600℃,时间为3~4h。
优选的,步骤(2)所述各原料的重量份为,MLa2Ti2VO10光催化剂粉末15~20重量份、硝酸溶液80~85重量份。
优选的,步骤(3)所述各原料的重量份为,醋酸镍3~6重量份、硫脲2~4重量份、去离子水60~75重量份、部分酸化MLa2Ti2VO10光催化剂20~30重量份。
优选的,步骤(3)所述回流反应的温度为80~90℃,时间为1~2h。
优选的,步骤(3)所述高温焙烧的温度为350~450℃,时间为1~2h。
金属离子掺杂和半导体复合是改善窄禁带光催化剂的可见光吸收能力及防止光生电子和空穴复合的常用手段。本发明采用V5+离子进行掺杂,采用NiS进行复合,利用二者的协同作用,显著提高片层状光催化剂的可见光利用率,提高光生电子和空穴的分离效率,达到理想的催化活性和催化效率。其中,由于V5+的掺杂,使M2La2Ti3O10半导体带结构的价带与导带之间构成亚能级,价带电子可以分级跃迁,于是可以利用能量较低的可见光激发电子,掺杂的MLa2Ti2VO10每一级跃迁跨越的能级均小于未掺杂的M2La2Ti3O10的能隙,相当于减小了光催化剂的能隙,扩展了对可见光的响应范围。另外,V5+比Ti4+具有更小的半径和更高的正电荷,对O有更强的极化效应,有利于吸收边位置红移。
进一步的,采用硝酸对MLa2Ti2VO10光催化剂进行部分酸化,使层间存在羟基及水分子,与La2Ti2VO10 -形成氢键,在电荷相互作用下,氢键上的质子活化,利于光催化活性的提高。同时,随着酸化程度的增加,层间距增大,有利于NiS进入层间复合。
本发明还提供了一种上述制备方法制备得到的钙钛矿型层状结构的光催化剂。所述钙钛矿型层状结构的光催化剂是先制备了钒掺杂的钙钛矿型层状光催化剂MLa2Ti2VO10(M为K、Na、Cs、Rb中的一种),然后利用硝酸溶液进行部分酸化,使层间距增大,再原位反应生成NiS负载于MLa2Ti2VO10光催化剂的表面及层间而制得。
本发明提供了一种钙钛矿型层状结构的光催化剂及制备方法,与现有技术相比,其突出的特点和优异的效果在于:
1.本发明制备的光催化剂,禁带宽度较窄,可见光利用率高。
2.本发明制备的光催化剂,可提高光生电子和空穴的分离效率,防止复合,催化效率高。
3.本发明制备的光催化剂,可广泛用于光解水制氢及有机物降解等领域。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明,但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例1
(1)将硬脂酸加热搅拌熔融,然后依次加入硝酸镧、碳酸盐、钛酸丁酯及五氧化二钒,充分研磨,然后在空气中加热反应,再将产物洗涤干净,并高温干燥,制得钙钛矿型层状结构的MLa2Ti2VO10光催化剂粉末;碳酸盐为K2CO3,相应的MLa2Ti2VO10为KLa2Ti2VO10;反应的温度为1120℃,时间为47h;干燥的温度为560℃,时间为3.5h;各原料的重量份为,硝酸镧9重量份、碳酸盐5重量份、钛酸丁酯15重量份、五氧化二钒11重量份、硬脂酸60重量份;
(2)将步骤(1)制得的MLa2Ti2VO10光催化剂粉末加入质量浓度为13%的硝酸溶液中,反应43h后,真空抽滤并风干,制得部分酸化的MLa2Ti2VO10光催化剂;各原料的重量份为,MLa2Ti2VO10光催化剂粉末17重量份、硝酸溶液83重量份;
(3)将醋酸镍与硫脲溶于去离子水中,然后加入步骤(2)制得的部分酸化MLa2Ti2VO10光催化剂进行分散,加热回流反应,将所得沉淀洗涤,并高温焙烧,制得表面及层间负载NiS的MLa2Ti2VO10光催化剂;回流反应的温度为86℃,时间为1.5h;高温焙烧的温度为390℃,时间为1.5h;各原料的重量份为,醋酸镍5重量份、硫脲3重量份、去离子水69重量份、部分酸化MLa2Ti2VO10光催化剂26重量份。
实施例2
(1)将硬脂酸加热搅拌熔融,然后依次加入硝酸镧、碳酸盐、钛酸丁酯及五氧化二钒,充分研磨,然后在空气中加热反应,再将产物洗涤干净,并高温干燥,制得钙钛矿型层状结构的MLa2Ti2VO10光催化剂粉末;碳酸盐为Na2CO3,相应的MLa2Ti2VO10为NaLa2Ti2VO10;反应的温度为1050℃,时间为48h;干燥的温度为520℃,时间为4h;各原料的重量份为,硝酸镧9重量份、碳酸盐5重量份、钛酸丁酯14重量份、五氧化二钒11重量份、硬脂酸61重量份;
(2)将步骤(1)制得的MLa2Ti2VO10光催化剂粉末加入质量浓度为11%的硝酸溶液中,反应40h后,真空抽滤并风干,制得部分酸化的MLa2Ti2VO10光催化剂;各原料的重量份为,MLa2Ti2VO10光催化剂粉末16重量份、硝酸溶液84重量份;
(3)将醋酸镍与硫脲溶于去离子水中,然后加入步骤(2)制得的部分酸化MLa2Ti2VO10光催化剂进行分散,加热回流反应,将所得沉淀洗涤,并高温焙烧,制得表面及层间负载NiS的MLa2Ti2VO10光催化剂;回流反应的温度为82℃,时间为2h;高温焙烧的温度为380℃,时间为2h;各原料的重量份为,醋酸镍4重量份、硫脲3重量份、去离子水70重量份、部分酸化MLa2Ti2VO10光催化剂23重量份。
实施例3
(1)将硬脂酸加热搅拌熔融,然后依次加入硝酸镧、碳酸盐、钛酸丁酯及五氧化二钒,充分研磨,然后在空气中加热反应,再将产物洗涤干净,并高温干燥,制得钙钛矿型层状结构的MLa2Ti2VO10光催化剂粉末;碳酸盐为Cs2CO3,相应的MLa2Ti2VO10为CsLa2Ti2VO10;反应的温度为1150℃,时间为45h;干燥的温度为580℃,时间为3h;各原料的重量份为,硝酸镧11重量份、碳酸盐5重量份、钛酸丁酯16重量份、五氧化二钒13重量份、硬脂酸55重量份;
(2)将步骤(1)制得的MLa2Ti2VO10光催化剂粉末加入质量浓度为14%的硝酸溶液中,反应45h后,真空抽滤并风干,制得部分酸化的MLa2Ti2VO10光催化剂;各原料的重量份为,MLa2Ti2VO10光催化剂粉末19重量份、硝酸溶液81重量份;
(3)将醋酸镍与硫脲溶于去离子水中,然后加入步骤(2)制得的部分酸化MLa2Ti2VO10光催化剂进行分散,加热回流反应,将所得沉淀洗涤,并高温焙烧,制得表面及层间负载NiS的MLa2Ti2VO10光催化剂;回流反应的温度为88℃,时间为1h;高温焙烧的温度为420℃,时间为1h;各原料的重量份为,醋酸镍5重量份、硫脲4重量份、去离子水64重量份、部分酸化MLa2Ti2VO10光催化剂27重量份。
实施例4
(1)将硬脂酸加热搅拌熔融,然后依次加入硝酸镧、碳酸盐、钛酸丁酯及五氧化二钒,充分研磨,然后在空气中加热反应,再将产物洗涤干净,并高温干燥,制得钙钛矿型层状结构的MLa2Ti2VO10光催化剂粉末;碳酸盐为Rb2CO3,相应的RbLa2Ti2VO10;反应的温度为1000℃,时间为50h;干燥的温度为500℃,时间为4h;各原料的重量份为,硝酸镧8重量份、碳酸盐3重量份、钛酸丁酯13重量份、五氧化二钒10重量份、硬脂酸66重量份;
(2)将步骤(1)制得的MLa2Ti2VO10光催化剂粉末加入质量浓度为10%的硝酸溶液中,反应35h后,真空抽滤并风干,制得部分酸化的MLa2Ti2VO10光催化剂;各原料的重量份为,MLa2Ti2VO10光催化剂粉末15重量份、硝酸溶液85重量份;
(3)将醋酸镍与硫脲溶于去离子水中,然后加入步骤(2)制得的部分酸化MLa2Ti2VO10光催化剂进行分散,加热回流反应,将所得沉淀洗涤,并高温焙烧,制得表面及层间负载NiS的MLa2Ti2VO10光催化剂;回流反应的温度为80℃,时间为2h;高温焙烧的温度为350℃,时间为2h;各原料的重量份为,醋酸镍3重量份、硫脲2重量份、去离子水75重量份、部分酸化MLa2Ti2VO10光催化剂20重量份。
实施例5
(1)将硬脂酸加热搅拌熔融,然后依次加入硝酸镧、碳酸盐、钛酸丁酯及五氧化二钒,充分研磨,然后在空气中加热反应,再将产物洗涤干净,并高温干燥,制得钙钛矿型层状结构的MLa2Ti2VO10光催化剂粉末;碳酸盐为K2CO3,相应的MLa2Ti2VO10为KLa2Ti2VO10;反应的温度为1200℃,时间为42h;干燥的温度为600℃,时间为3h;各原料的重量份为,硝酸镧12重量份、碳酸盐6重量份、钛酸丁酯17重量份、五氧化二钒14重量份、硬脂酸51重量份;
(2)将步骤(1)制得的MLa2Ti2VO10光催化剂粉末加入质量浓度为15%的硝酸溶液中,反应50h后,真空抽滤并风干,制得部分酸化的MLa2Ti2VO10光催化剂;各原料的重量份为,MLa2Ti2VO10光催化剂粉末20重量份、硝酸溶液80重量份;
(3)将醋酸镍与硫脲溶于去离子水中,然后加入步骤(2)制得的部分酸化MLa2Ti2VO10光催化剂进行分散,加热回流反应,将所得沉淀洗涤,并高温焙烧,制得表面及层间负载NiS的MLa2Ti2VO10光催化剂;回流反应的温度为90℃,时间为1h;高温焙烧的温度为450℃,时间为1h;各原料的重量份为,醋酸镍6重量份、硫脲4重量份、去离子水60重量份、部分酸化MLa2Ti2VO10光催化剂30重量份。
实施例6
(1)将硬脂酸加热搅拌熔融,然后依次加入硝酸镧、碳酸盐、钛酸丁酯及五氧化二钒,充分研磨,然后在空气中加热反应,再将产物洗涤干净,并高温干燥,制得钙钛矿型层状结构的MLa2Ti2VO10光催化剂粉末;碳酸盐为Na2CO3,相应的MLa2Ti2VO10为NaLa2Ti2VO10;反应的温度为1100℃,时间为46h;干燥的温度为550℃,时间为3.5h;各原料的重量份为,硝酸镧10重量份、碳酸盐4重量份、钛酸丁酯15重量份、五氧化二钒12重量份、硬脂酸59重量份;
(2)将步骤(1)制得的MLa2Ti2VO10光催化剂粉末加入质量浓度为12%的硝酸溶液中,反应45h后,真空抽滤并风干,制得部分酸化的MLa2Ti2VO10光催化剂;各原料的重量份为,MLa2Ti2VO10光催化剂粉末18重量份、硝酸溶液82重量份;
(3)将醋酸镍与硫脲溶于去离子水中,然后加入步骤(2)制得的部分酸化MLa2Ti2VO10光催化剂进行分散,加热回流反应,将所得沉淀洗涤,并高温焙烧,制得表面及层间负载NiS的MLa2Ti2VO10光催化剂;回流反应的温度为85℃,时间为1.5h;高温焙烧的温度为400℃,时间为1.5h;各原料的重量份为,醋酸镍4重量份、硫脲3重量份、去离子水68重量份、部分酸化MLa2Ti2VO10光催化剂25重量份。
对比例1
制备过程中,未添加五氧化二钒,其他制备条件与实施例6一致。
对比例2
制备过程中,未负载NiS,其他制备条件与实施例6一致。
对比例3
制备过程中,未进行酸化,其他制备条件与实施例6一致。
性能测试:
(1)可见光利用率:取任意本发明制得的光催化剂,以可见光进行照射,测试可相应可见光波长范围光谱占可见光总波长范围的比值,表示可见光利用率;
(2)罗丹明B光催化降解率:配置100mg/L的罗丹明B溶液,取500mL作为试验液,放入1g加有本发明制得的光催化剂的光催化反应器,反应器固定于磁力搅拌器上,光催化反应中,磁子不断搅拌,以保证光催化剂均匀散布于反应液中,以300W氙灯作光源,光照开始后,每隔20min取一次样,然后立即离心分离,取上层清液于染料的最大吸收波长处,测其吸光度,光催化降解效果用降解率D衡量,D=(A0-A)/A0×100%,A0、A分别为光照前后罗丹明B溶液的吸光度,分别测试并计算得到20min、40min、60min时的罗丹明B降解率;
(3)产氢速率:用天平称取0.1g光催化剂,量取20mL水,在直径9cm的光催化反应容器内充分混合,排净空气后在人工光源300W氙灯下照射1h后,接入自制的真空测氢系统,用气相色谱仪检测反应所产生的氢气量,计算产氢速率;
所得数据如表1所示。
表1:

Claims (10)

1.一种钙钛矿型层状结构的光催化剂的制备方法,其特征在于,所述光催化剂制备的具体步骤如下:
(1)将硬脂酸加热搅拌熔融,然后依次加入硝酸镧、碳酸盐、钛酸丁酯及五氧化二钒,充分研磨,然后在空气中加热反应,再将产物洗涤干净,并高温干燥,制得钙钛矿型层状结构的MLa2Ti2VO10光催化剂粉末;
(2)将步骤(1)制得的MLa2Ti2VO10光催化剂粉末加入质量浓度为10~15%的硝酸溶液中,反应35~50h后,真空抽滤并风干,制得部分酸化的MLa2Ti2VO10光催化剂;
(3)将醋酸镍与硫脲溶于去离子水中,然后加入步骤(2)制得的部分酸化MLa2Ti2VO10光催化剂进行分散,加热回流反应,将所得沉淀洗涤,并高温焙烧,制得表面及层间负载NiS的MLa2Ti2VO10光催化剂。
2.根据权利要求1所述一种钙钛矿型层状结构的光催化剂的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述碳酸盐为K2CO3、Na2CO3、Cs2CO3或Rb2CO3,相应的MLa2Ti2VO10为KLa2Ti2VO10、NaLa2Ti2VO10、CsLa2Ti2VO10、RbLa2Ti2VO10
3.根据权利要求1所述一种钙钛矿型层状结构的光催化剂的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述各原料的重量份为,硝酸镧8~12重量份、碳酸盐3~6重量份、钛酸丁酯13~17重量份、五氧化二钒10~14重量份、硬脂酸51~66重量份。
4.根据权利要求1所述一种钙钛矿型层状结构的光催化剂的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述反应的温度为1000~1200℃,时间为42~50h。
5.根据权利要求1所述一种钙钛矿型层状结构的光催化剂的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述干燥的温度为500~600℃,时间为3~4h。
6.根据权利要求1所述一种钙钛矿型层状结构的光催化剂的制备方法,其特征在于:步骤(2)所述各原料的重量份为,MLa2Ti2VO10光催化剂粉末15~20重量份、硝酸溶液80~85重量份。
7.根据权利要求1所述一种钙钛矿型层状结构的光催化剂的制备方法,其特征在于:步骤(3)所述各原料的重量份为,醋酸镍3~6重量份、硫脲2~4重量份、去离子水60~75重量份、部分酸化MLa2Ti2VO10光催化剂20~30重量份。
8.根据权利要求1所述一种钙钛矿型层状结构的光催化剂的制备方法,其特征在于:步骤(3)所述回流反应的温度为80~90℃,时间为1~2h。
9.根据权利要求1所述一种钙钛矿型层状结构的光催化剂的制备方法,其特征在于:步骤(3)所述高温焙烧的温度为350~450℃,时间为1~2h。
10.权利要求1~9任一项所述制备方法制备得到的一种钙钛矿型层状结构的光催化剂。
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