CN110465303A - 一种钙掺杂的LaNiO3钙钛矿型光催化剂的制备方法及应用 - Google Patents

一种钙掺杂的LaNiO3钙钛矿型光催化剂的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及钙钛矿型光催化剂,具体公开了一种钙掺杂的LaNiO3钙钛矿型光催化剂的制备方法及应用。所述的制备方法是在硝酸镧和硝酸镍中加入水使其充分溶解,然后加入充分溶解的硝酸镍,在搅拌的条件下滴加氨水溶液,溶液的pH值调节到9~12,生成沉淀,然后将产物过滤、洗涤、干燥、焙烧,其中所述钙离子与镧离子的摩尔比为0.1~0.5。本发明还公开了所述的钙掺杂的LaNiO3钙钛矿型光催化剂在降解印染废水中甲基橙方面的应用。本发明的制备方法合成条件简单,二次污染小,得到的钙掺杂的LaNiO3钙钛矿型光催化剂催化效果好,降解效果达到95.01%。

Description

一种钙掺杂的LaNiO3钙钛矿型光催化剂的制备方法及应用
技术领域
本发明涉及钙钛矿型光催化剂,尤其涉及一种钙掺杂的LaNiO3钙钛矿型光催化剂的制备方法。同时,本发明还涉及该催化剂在降解印染废水中甲基橙方面的应用。
背景技术
伴随着人类工业和社会的快速发展,城市化规模不断扩大,城市用水量和流失量不断增加,这在一定程度上加剧了水资源短缺和水污染,环境问题日益突出,由此产生的水危机已成为社会和经济发展的重要制约因素。从19世纪70年代开始,科学家开始研究光催化技术,1972年,两位科学家Fujishina和Honda发现光照的TiO2单晶可以分解H2O,引起了对光诱导氧化还原反应的研究浪潮。1976年,John H.Carey研究了光催化技术降解废水中污染物的原理。Placidus B.Amama等,研究了气相光催化技术处理室内装修材料产生的挥发性有机废气。为了提高太阳能利用率,科学家们进行了大量的科研工作,寻找新的高效催化剂已成为一个重要问题。利用光催化作用,解决环境污染和开发绿色能源的重要途径之一是采用廉价的阳光来降解有毒有机污染物。钙钛矿型氧化物ABO3因其发现优异的光催化性能,而受到关注。一方面,钙钛矿型氧化物结构中的金属元素大部分是稳定的,可以用两种不同粒径和电荷的A或B离子进行改性,以扩大吸收光范围;另一方面,在电中性的条件下,钙钛矿型氧化物通常具有非化学计量比,因此钙钛矿中的大量缺陷可以提高光催化活性。
在当今社会,随着人类工业和社会的快速发展,化学给人类带来了各种便利,也带来了许多无法控制的环境污染、资源和能源枯竭的问题。根据国家的数据,每年的污水排放量约为350亿立方米。因此,废水污染的问题是一个亟待解决的问题。废水的常规治疗方法主要有物理方法、化学方法、生物方法、生物膜法等,但这些方法在实际应用中有很大的局限性,并没有达到所期望的降解效果。最近几年来,ABO3钙钛矿型复合氧化物在光催化方面的表现较为突出,而镍酸镧更是一种多功能的ABO3型钙钛矿复合氧化物材料,并且其本身对印染废水具有很好的光催化降解性能。LaNiO3是一种相对常见的钙钛矿氧化物,可以通过不同的合成高活性光催化剂的方法获得。
因此,为了能够更好的提高LaNiO3的光催化降解性能,寻找一种合成条件简单,二次污染小等优点的制备方法,且其本身更是具有巨大的使用价值和研究价值,符合绿色生态化学的理念至关重要。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种钙掺杂的LaNiO3钙钛矿型光催化剂的制备方法,该方法合成条件简单,二次污染小。
本发明的目的之二在于提供上述制备方法得到的催化剂。
本发明的目的之三在于提供上述催化剂在降解印染废水中甲基橙方面的应用。
本发明的第一个目的是通过以下技术方案来实现的:一种钙掺杂的LaNiO3钙钛矿型光催化剂的制备方法,将钙离子A位掺杂到LaNiO3中,其中所述钙离子与镧离子的摩尔比为0.1~0.5。
进一步地,所述制备方法为:在硝酸镧和硝酸镍中加入水使其充分溶解,然后加入充分溶解的硝酸镍,在搅拌的条件下滴加氨水溶液,溶液的pH值调节到9~12,生成沉淀,然后将产物过滤、洗涤、干燥、焙烧,即得。
进一步地,原料中镍离子与镧离子+钙离子的摩尔比为1:1。
进一步地,所述氨水溶液的浓度为2~5%。
进一步地,所述研磨后的样品在600~700℃条件下焙烧2~4小时。
进一步地,所述滴加氨水溶液的速度为每隔一分钟1滴。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
1.本发明采用溶胶-凝胶法制备LaNiO3,在A位掺杂Ca。由此法制备的Ca/LaNiO3不仅具有合成条件简单,二次污染小,其本身更是具有巨大的使用价值和研究价值,符合绿色生态化学的理念。
2.本发明研究发现光催化最佳工艺条件为甲基橙初始浓度20mg/L、催化剂添加量0.5g/L,其光催化降解效果达到95.01%。
3.本发明制备的钙掺杂的LaNiO3钙钛矿型光催化剂比未掺杂LaNiO3具有更好的吸附及光催化效果。
附图说明
图1是Ca/LaNiO3光催化降解甲基橙的影响;
图2是催化剂的COD降解率随时间的变化图;
图3是600℃Ca/LaNiO3不同掺杂比例的XRD图谱;
图4是700℃Ca/LaNiO3不同掺杂比例的XRD图谱;
图5是Ca:La=0.2Ca/LaNiO3不同温度的XRD图谱;
图6是不同焙烧温度下Ca:La=0.2的Ca/LaNiO3 SEM图;
图7是不同温度Ca:La=0.2的Ca/LaNiO3紫外漫反射图;
图8是催化剂添加量对光催化剂活性的影响图;
图9是甲基橙的初始浓度对甲基橙降解率的影响;
图10是Ca:La=0.2的Ca/LaNiO3降解甲基橙的紫外光谱图。
具体实施方式
实施例中的甲基橙溶液用以模拟废水。甲基橙,结构式为对二甲基氨基偶氮苯磺酸钠或4-((4-(二甲氨基)苯基)偶氮基)苯磺酸钠盐,其中经过偶连重氮化与对偶氮苯磺酸和N,N-二甲基苯胺偶合而成,具有偶氮结构,甲基橙是水溶性偶氮染料,广泛用于纺织、造纸、印染、制药和食品等行业,在染料废水中具有一定的代表性;甲基橙在紫外可见光谱中具有特征吸收峰,易于实验和检测。在中性或碱性溶液中,呈磺酸钠盐形式,转化为磺酸在酸性溶液中存在,使酸性的磺酸基与分子内的碱性二甲氨基形成对二甲氨基苯基偶氮苯磺酸形式(成对醌结构),成为含有醌式结构的共轭体系,因此颜色随之改变。
实施例1
LaNiO3 A位掺杂钙离子的制备是基于镍离子与镧离子+钙离子的比率(钙离子:镧离子摩尔比=0.1、0.4、0.5)=1:1,分别称取硝酸镧0.8127g和硝酸钙0.06g在相同的烧杯中,硝酸镍1.1g于另一个烧杯中,每次加入30mL蒸馏水,充分溶解并在相同体积中充分混合,然后以230r/min的速度将其置于多点磁力搅拌器中搅拌30min,在搅拌的条件下用胶头滴管逐滴滴加3mol/L氨水溶液(每隔1min滴加一滴),滴至溶液的pH大于或等于12处停止(由广泛试纸测得),于循环水式真空泵,洗涤(2-3次用蒸馏水洗涤),过滤,并干燥在90℃下鼓风干燥箱,干燥后,将其充分研磨并在600℃放置在人工智能箱式电阻炉中焙烧3h,冷却至室温,充分研磨,得到样品。
实施例2
与实施例1不同之处在于,硝酸镧0.8866g、硝酸钙0.12g,钙离子:镧离子摩尔比=0.2,干燥后,将其充分研磨并在700℃放置在人工智能箱式电阻炉中焙烧2h。
实施例3
与实施例1不同之处在于,硝酸镧0.9605g、硝酸钙0.18g,钙离子:镧离子摩尔比=0.3。
实施例4
与实施例1不同之处在于,硝酸镧1.0345g、、硝酸钙0.24g,钙离子:镧离子摩尔比=0.4。
实施例5
与实施例1不同之处在于,硝酸镧1.1084gg、硝酸钙0.30g,钙离子:镧离子摩尔比=0.5。
实施例6Ca/LaNiO3光催化降解甲基橙
以20mg/L的甲基橙作为模拟降解废水,测定废水在催化剂、光照等条件下的脱色率、COD降解率。首先,建立水循环冷却系统,打开镝灯可见光源,开始实验。使用100mL量筒在几个烧杯中分别量取100mL甲基橙,加入一定量的催化剂样品并在多点磁力搅拌器中以300r/min旋转,在镝灯的可见光照射下开始降解实验并降解0.5h,每5min取样于离心管中,以2500r/min的离心速度离心30min,取上清液并测量吸光度。
降解作用分析:实验模拟废水降解后用紫外-可见光分光光度计在整个频带(200-800nm)扫描,以确定在最大波长下(甲基橙的特征峰吸收波长为464nm)的吸光度A1,在A1的基础上计算出脱色率:
D=(A0-A1)/(A0)×100%
式中D为脱色率,A0为实验模拟废水原液在464nm处的吸光度,A1为已降解后的溶液在464nm处的吸光度。
COD方法分析:取2mL降解水样,用去离于水稀释至100mL250mL维形瓶中,加人2.5mL(1+3)硫酸溶液,摇匀。向滴定管中加5mL0.010mol/L高锰酸钾溶液并摇匀,立即放入沸水浴中,(注意:尽量使水的水面高于瓶中溶液的液面),30min后,从沸水浴中取出锥形瓶,加人5.00mL 0.010mol/L草酸钠标准溶液趁热,用0.010mol/L高锰酸押标准溶液摇匀,直至溶液微红,记录0.010mol/L高锰酸钾溶液(V1)。
取上述滴定水样,加人5.00mL0.010mol/L草酸钠标准溶液,然后用0.010mol/L高锰酸钾滴定至微红。记录滴定5.00mL 0.010mol/L草酸钠的高锰酸钾的(V2)量;那么高锰酸钾溶液的校正系数是K=10.00/V2.注意,K值要略低于1。
计算:COD(Mg/L)=[(5+V1)K-5]Cx8x100/100
D=(C0-C1)/(C0)×100%。
催化剂的表征方法:
紫外漫反射(DRS)分析:采用安捷伦公司的carry5000型紫外-可见分光光度计对固体样品在200-800cm波段进行扫描。
X-射线衍射(XRD)测定:由德国Bruker公司的D8Advanc型X射线粉末衍射仪,在电流0.1A,电压40Kv,扫描速度:10度/分钟。
扫描电子显微镜(SEM)分析:捷克FEI捷克有限公司Quanta2500型号的场发射扫描电子显微镜观察催化剂的形貌。
1.不同光源对Ca/LaNiO3光催化降解甲基橙的影响
分别用量筒1~5量取五份100mL、20mg/L的甲基橙溶液置于250mL的烧杯中,向1加入精确称取的0.05g Ca/LaNiO3催化剂,以镝灯为可见光源,在磁力搅拌器搅拌下进行降解,每5分钟取一次样。2加入催化剂0.05gCa/LaNiO3置于黑暗环境中,在磁力搅拌器搅拌下进行降解,每5分钟取一次样。3准确称取的0.05g Ca/LaNiO3催化剂,以太阳光为光源,在磁力搅拌器搅拌下进行降解,每5分钟取一次样。4准确称取的0.05g Ca/LaNiO3催化剂,以室内光为光源,在磁力搅拌器搅拌下进行降解,每5分钟取一次样。进行比较实验,离心后,测定紫外可见吸光率。以上使用的Ca/LaNiO3催化剂均为实施例1制备得到的催化剂。5不添加催化剂,以镝灯为可见光源,进行光降解反应,总共反应0.5小时,测其吸光度,计算出脱色率,其结果如图1所示。
由图1可知,没有催化剂的条件下,甲基橙的脱色率基本不变,这意味着甲基橙在光照下几乎无降解。吸附在5min时去除率达到15%,并且在之后几乎不变。而其他三条曲线在5min时就都达到了70%以上,比吸附高55%,并在之后的时间仍然在逐步升高。在前5min,去除率非常快,并且应该具有吸附和降解共同作用,随着降解时间延长,甲基橙在催化剂上的吸附率减少,降解反应占主导作用,而且随着反应时间的延长,甲基橙的分解产生吸附在催化剂表面,致使反应活性位减少,反应速度下降。催化剂+镝灯光在30min时去除率为95.01%,催化剂+太阳光达到86.30%,催化剂+室内光达到82.28%。说明光照越强,降解效果越好。
由图2可知,随着反应时间的延长,COD降解率逐渐升高,在反应5min时,甲基橙得COD降解率已经达到了54%,随着反应的延长,降解率的升高也在逐渐的减缓,与去除率相比,去除率趋势与其类似,但是去除率的降解率更高。可能是Ca/LaNiO3在光照下产生了烃基自由基,把甲基橙催化降解为小分子有机物、水、二氧化碳等物质,从而使COD降解率增加。
2.Ca:La摩尔比对光催化活性的影响
LaNiO3的制备:按照镍离子与镧离子的摩尔比例为1:1分别准确称取硝酸镧1.1000g(LaNiO3过量0-0.2g)、硝酸镍0.7388g于两个烧杯中,然后加入30mL蒸馏水使其充分溶解,然后在相同体积中均匀混合,然后置于多点磁力搅拌器中并以230r/min搅拌30min,在搅拌的条件下逐滴滴加3mol/L氨水溶液,每隔1min滴加一滴,加入到溶液中,溶液的pH值大于或等于12停止(由广泛试纸测其得),于循环水式真空泵,用蒸馏水洗涤2-3次,过滤,并干燥在90℃下鼓风干燥箱,干燥后,将其充分研磨并在600℃放置在人工智能箱式电阻炉中焙烧3h,冷却至室温,充分研磨,得到样品。
分别取20mg/L的甲基橙溶液100mL 6份,并添加上述LaNiO3和实施例1~5所制备的催化剂各0.05g即Ca:La摩尔比掺杂不同比例钙离子0、10%、20%、30%、40%、50%的Ca/LaNiO3催化剂,在磁力搅拌器上降解0.5h,在离心机中离心0.5h,测其吸光度,计算脱色率,结果如表1所示。
表1掺杂比例对LaNiO3光催化活性的影响
对于ABO3钙钛矿型复合氧化物,通过掺杂不同价态的离子能够提高光生载流子的分离,以达到提高光催化效率。由表1可知,在镍酸镧中,掺杂钙可有效提高镍酸镧的光催化活性,焙烧温度对光催化活性的影响较大,同样的掺杂比例,700℃焙烧的活性高于600℃焙烧的活性。700℃焙烧的催化剂与600℃焙烧的催化剂的XRD图谱分别如图3和图4所示。700℃焙烧的Ca/LaNiO3与600℃焙烧的Ca/LaNiO3含有不同比例的钙氧化物、镍氧化物、镧氧化物。600℃焙烧的Ca/LaNiO3对甲基橙溶液的降解效果,随着掺杂比的提高,呈升高的趋势,700℃焙烧的Ca/LaNiO3,对甲基橙溶液的降解效果呈先升高后降低的趋势,由图3可知,在600℃不同掺杂比例和未掺杂的催化剂中都有钙钛矿相的特征峰,有(100)、(101)、(110)、(200)、(211)和NiO杂质峰(101)、(103)出现,掺杂比例为0.2的催化剂和不掺杂的催化剂都出现了峰形不与标准卡一致的衍射角10-30、46-60之间,并且它被认为是出现了峰的叠加,而掺杂比例为0.2的催化剂在衍射角80-90之间又出现了峰的叠加,不掺杂的催化剂却没有出现。在图4中,700℃不同掺杂比例和未掺杂的催化剂中也都有钙钛矿相的特征峰,有(100)、(101)、(110)、(200)、(211)和NiO杂质峰(101)、(103)出现,不同掺杂比例和未掺杂的催化剂中都出现了峰形不与标准卡一致的衍射角10-30、46-60之间,它被认为是出现了峰的叠加,而掺杂比例为0.2的催化剂在衍射角60-70之间的峰形比不掺杂的催化剂尖锐,其他地方峰形相差不大。700℃比600℃多出现了两个NiO杂质峰(012)、(104),峰形也更尖锐,这是导致700℃比600℃降解效果更好的原因。当镍酸镧掺杂钙离子的掺杂比为20%时,其光催化降解效果最好,降解率为95.01%,比600℃时掺杂比为Ca:La=0.2高40%左右,比未掺杂高20%,这可能是因为掺杂了Ca的LaNiO3结构发生了改变,提高了光生载流子的分离,从而提高了光催化效率。由于钙离子掺杂会对镍酸镧的结构产生影响,所以应考虑与A、B位离子的协同作用。
3.焙烧温度对Ca/LaNiO3光催化剂活性的影响
将掺杂比为0.2的镍酸镧放入坩埚中,然后在马弗炉中焙烧,焙烧温度分别为600℃、700℃、800℃、900℃,并且将每个煅烧物煅烧3h以得到4个样品。将50mg置于100mL浓度为20mg/L的甲基橙溶液中,置于多点磁力搅拌器上,并用镝灯的可见光降解0.5h,将降解的溶液在离心机离心0.5h,取上清液,测量吸光度,并计算出每个焙烧温度条件下的脱色率,结果如表2。
表2焙烧温度对Ca/LaNiO3光催化活性的影响
由上表可知,在700℃时对20mg/L的甲基橙的降解效果最好,而降解效果随着温度的升高呈现出先升高后降低的趋势。Ca:La=0.2Ca/LaNiO3不同温度的XRD图谱,如图5所示。结合XRD图可知,催化剂内部可能并未完全反应,而是形成了混合物,在600℃下存在LaNiO3的特征峰,及出现NiO杂质峰以及未能与标准卡相一致的叠加峰,所以效果相对于700℃下降了40%左右。800℃和900℃除了含有LaNiO3的特征峰外,同时也有NiO的杂质峰,但相对600℃,800℃和900℃的叠加峰更多,峰值也更高,此时样品内部的形成由多种氧化物构成的混合物。由图5可知,各温度都存在特征峰(100)、(101)、(110)、(211)和NiO杂质峰(101)、(104),在衍射角46-60之间峰值形状没有与标准卡相匹配,出现了叠加峰,可以看出,在600℃时,就已经形成了钙钛矿相的特征峰,且温度越高,峰形尖锐越明显。在800℃和900℃中却出现了NiO杂质峰(012)、(014),但是在600℃和700℃中却没有,这有可能是温度过高,从而导致结构发生了变化。图6中A、B、C、D分别代表不同焙烧温度下Ca:La=0.2的Ca/LaNiO3 SEM图。结合XRD图看出,产物是多种氧化物的混合物,样品具有大的的粒径并呈现片状结构,随着煅烧温度升高,过剩的能量导致样品聚集,导致样品附聚增加,样品粒径持续增加并分散不均匀。而图7为不同温度Ca:La=0.2的Ca/LaNiO3紫外漫反射图,由图7可知,随着温度的升高,Ca/LaNiO3的吸光能力也在升高,并且特征吸收峰也出现往右偏移的现象,导致其能带间隙增大。当煅烧温度为900℃时,根据XRD,LaNiO3的结构发生了变化,影响了其光吸收能力。
4.催化剂添加量对光催化剂活性的影响
以甲基橙100mL的浓度为20mg/L的甲基橙5份,并分别添加0.1g、0.3g、0.5g、0.7g、0.9g的LaNiO3掺杂物(取焙烧温度700℃,掺杂比为0.2)催化剂,并且将混合物在室温下多点磁力搅拌器中搅拌,灯用镝灯照射0.5h,在离心机离心0.5h,并测定吸光度,计算出脱色率,结果如图8所示。
由图8可知,随着催化剂用量的增加,降解率逐渐提高,在达到0.5g/L后降解效果几乎达到一致,这说明催化剂量多,不一定能使催化效果得到显著提升,由于0.5g、0.7g、0.9g的催化剂用量的脱色率均达到了95%以上,有可能是甲基橙被氧化分解为小分子,而这些小分子有机物难以光催化剂降解,也可能由于甲基橙浓度过低,催化降解效果未能充分发挥,需要进一步提升甲基橙浓度,测试其光催化降解的最佳效率。
5.甲基橙初始浓度对光催化剂活性的影响
分别取100mL初始浓度为10mg/L、20mg/L、30mg/L、40mg/L、50mg/L的甲基橙溶液5份,每种50mg掺杂钙的镍酸镧(煅烧温度700℃,掺杂比0.2),置于多点磁力搅拌器上,用镝灯光照0.5h后,取其样品放入离心机离心0.5h,然后取上清液,离心0.5h,测定吸光度,计算出脱色率,结果如图9所示。根据图9可知,甲基橙的浓度的逐渐增加,Ca/LaNiO3催化剂对甲基橙的色度的去除率也在逐渐减少,其原因是,当甲基橙浓度高时,催化剂表面的活性位有限,产生的烃基自由基的数量有限,不足以有效分解甲基橙及其中间产物。二是甲基橙浓度增大,透光效果变差,降低了光照,从而导致降解效果下降。
6.甲基橙初始pH的变化对光催化剂活性的影响
以100mL甲基橙浓度为20mg/L的溶液6份,并分别用HCl溶液、NaOH溶液调节甲基橙初始pH至1、3、5、7、9、11,各加入50mg掺杂钙的镍酸镧(煅烧温度700℃,掺杂比为0.2),置于多点磁力搅拌器上,用镝灯光照0.5h后,取其样品放入离心机离心0.5h,然后将上清液离心0.5h,并测定吸光度,计算出脱色率,结果如表3。
表3. 6甲基橙pH的变化对Ca/LaNiO3降解率的影响
由表3可知,pH值对光催化处理甲基橙的降解效率有较大的影响。随着pH的逐渐升高,降解率也在逐渐下降。甲基橙去除率在pH值为1时最好,随着pH值的增大,降解率下降。这是由于在光照下,Ca/LaNiO3产生了空穴和自由电子,导致溶液表面吸附了大量烃基,从而生成了得电子能力较强的烃基自由基,提高了降解率。而在pH大于7时,甲基橙为偶氮结构,随着pH的递增,Ca/LaNiO3表面因羟基而带负电荷,导致光生电子更容易脱出,不利于到达表面,从而降低了降解率。因此,在酸性条件下,更有利于甲基橙的降解。

Claims (8)

1.一种钙掺杂的LaNiO3钙钛矿型光催化剂的制备方法,其特征是,将钙离子A位掺杂到LaNiO3中,其中所述钙离子与镧离子的摩尔比为0.1~0.5。
2.根据权利要求1所述的一种钙掺杂的LaNiO3钙钛矿型光催化剂的制备方法,其特征是,所述制备方法为:在硝酸镧和硝酸镍中加入水使其充分溶解,然后加入充分溶解的硝酸镍,在搅拌的条件下滴加氨水溶液,溶液的pH值调节到9~12,生成沉淀,然后将产物过滤、洗涤、干燥、焙烧,即得。
3.根据权利要求1或2所述的一种钙掺杂的LaNiO3钙钛矿型光催化剂的制备方法,其特征是,原料中镍离子与镧离子+钙离子的摩尔比为1:1。
4.根据权利要求3所述的一种钙掺杂的LaNiO3钙钛矿型光催化剂的制备方法,其特征是,所述氨水溶液的浓度为2~5%。
5.根据权利要求2所述的一种钙掺杂的LaNiO3钙钛矿型光催化剂的制备方法,其特征是,所述研磨后的样品在600~700℃条件下焙烧2~4小时。
6.根据权利要求5所述的一种钙掺杂的LaNiO3钙钛矿型光催化剂的制备方法,其特征是,所述滴加氨水溶液的速度为每隔一分钟1滴。
7.权利要求1~6任一项所述的一种钙掺杂的LaNiO3钙钛矿型光催化剂的制备方法得到的钙掺杂的LaNiO3钙钛矿型光催化剂。
8.权利要求7所述的钙掺杂的LaNiO3钙钛矿型光催化剂在降解印染废水中甲基橙方面的应用。
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