CN110860295B - 一种Fe2O3/Sr2FeTaO6-x光催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Fe2O3/Sr2FeTaO6‑x光催化剂及其制备方法和应用,该制备方法包括如下步骤:将油酸溶于无水乙醇中加入油酸钠,再加入五氯化钽、有机铁盐和有机锶盐,搅拌后进行水热反应,反应结束后冲洗干燥得Sr2FeTaO6粉体;将其与氢化钙混合,煅烧,得深红色Sr2FeTaO6‑x;配制铁盐乙醇水溶液,加入Sr2FeTaO6‑x,剧烈搅拌,水热反应后自然冷却后洗涤干燥,得到Fe2O3/Sr2FeTaO6‑x光催化剂。本发明基于水热法‑氢化钙改性法提供了一种全新制备的光催化剂的方法,最终合成得到界面作用力强的Fe2O3/Sr2FeTaO6‑x复合半导体体系,实现光催化降解氮氧化物大幅提升。
Description
技术领域
本发明属于光催化剂技术领域,具体涉及一种Fe2O3/Sr2FeTaO6-x光催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
光催化对大气污染物有较好的降解效果,被认为是较为理想的治理空气污染的方法之一。但是现有催化剂主要是对紫外光有效应(也就是宽带隙光催化剂),而由于光生载流子在半导体材料的体相和表面都有很高的复合率,导致其光催化性能远远满足不了实际应用的要求,因此如何有效的提高半导体材料光生载流子分离和转移效率队是实现光催化治理大气污染至关重要。
目前,有提高光生载流子分离和转移效率的方法主要有:1)负载贵重金属,如Pt,Au,Ag等,由于贵重金属的稀缺性,导致催化剂的制备成本较高;2) 半导体复合,两种具有匹配导价带位置的半导体复合后,可以利用导价带之间的电势差促进电子的快速转移。通过半导体复合的方法调控光生载流子的分离和转移效率一直被认为是最为有效地提高半导体体系性能的重要方法之一。该方法能在不破坏材料内在结构的前提下,实现光催化性能的有效提升。
尽管如此,该方法仍存在严重缺陷,即要求两种半导体接触界面必须具有很好的连接性,以促进光生电子的转移。而目前制备半导体复合体系的方法主要有两种:1)用简单复合的方法。将两种半导体机械混合,难以实现界面处的真实键合,导致其效率仍有待提升。2)采用磁控溅射的方法,该方法所制备的材料体量难以提高,且成本很高。
发明内容
发明目的:针对现有技术存在的问题,本发明提供一种用于光催化降解氮氧化物的Fe2O3/Sr2FeTaO6-x光催化剂的制备方法,该材料为环境友好型的光催化剂,具有常温反应、催化活性高、环境友好的优势在移动源和固定源光催化降解氮氧化物具有广阔的应用前景。
本发明还提供制备的Fe2O3/Sr2FeTaO6-x光催化剂及其应用。
技术方案:为了实现上述目的,如本发明所述一种Fe2O3/Sr2FeTaO6-x光催化剂的制备方法,包括如下步骤:
(1)将油酸溶于无水乙醇中,再加入油酸钠,充分搅拌,使其完全溶解;
(2)往步骤(1)得到的溶液中加入五氯化钽,再加入有机铁盐和有机锶盐,搅拌使其完全溶解;
(3)加入氢氧化钠,调节溶液的酸碱度;
(4)将步骤(3)得到混合溶液转移到水热釜进行水热反应,反应结束后待其自然冷却,用无水乙醇和水反复冲洗,干燥得Sr2FeTaO6粉体;
(5)将步骤(4)得到的Sr2FeTaO6粉体样品与氢化钙粉末,研磨,使之充分混合,在马弗炉中,常压煅烧,得Sr2FeTaO6-x样品粉末;
(6)配制乙醇水溶液,加入铁盐,搅拌,再加入Sr2FeTaO6-x样品粉末,剧烈搅拌,调节其pH,水热反应,待其自然冷却后,用蒸馏水洗涤干燥,得到Fe2O3/Sr2FeTaO6-x光催化剂;其中,x代表减少的氧的原子数。。
其中,步骤(1)所述油酸的量为1~17.5ml,油酸钠的量为10~500mg;乙醇的量为10~100ml。最优选的油酸和无水乙醇的体积比值为1:7,油酸钠优先选300mg。
作为优选,步骤(2)所述五氯化钽、有机锶盐与有机铁盐的摩尔比为 0.5~4:0.25~4:0.5~4。最优选的摩尔比为1:2:1。
其中,步骤(2)所述有机铁盐为氯化铁,硝酸铁或者乙酰丙酮铁;所述锶盐为硝酸锶或者乙酸锶。最优选乙酰丙酮铁和乙酸锶。
其中,步骤(3)所述加入氢氧化钠溶液的后溶液的pH范围为10~14。
其中,步骤(4)所述水热反应的加热温度为120~220℃,加热时间为6h~96h。最优选选择200℃,加热12h。
其中,步骤(5)所述Sr2FeTaO6粉体样品与氢化钙粉末的摩尔比为1:5-12;在300℃下煅烧1-5h,得深红色Sr2FeTaO6-x样品。
作为优选,所述Sr2FeTaO6粉体样品与氢化钙粉末的摩尔比为1:10;在300℃下煅烧3h,得深红色Sr2FeTaO6-x样品。
其中,步骤(6)所述铁盐为氯化铁,硝酸铁,硫酸铁,乙酰丙酮铁,草酸铵铁,醋酸铁,1-羟乙基二茂铁,加入铁盐的量使得乙醇水溶液中铁离子的浓度为1-2mM。
作为优选,配制30ml乙醇水溶液,其中乙醇的体积比为50%,然后加入铁盐(氯化铁,硝酸铁,硫酸铁,乙酰丙酮铁,草酸铵铁,醋酸铁,1-羟乙基二茂铁),搅拌2h。
作为优选,乙醇水溶液中加入铁盐后Fe3+的浓度为1mM。
其中,步骤(6)所述水热反应温度为120~150℃,加热时间为20-24h。
作为优选,将Sr2FeTaO6-x样品粉末加入到铁盐-乙醇水溶液溶液中,剧烈搅拌2h,利用1M氢氧化钠溶液调节其pH为10,转移到水热反应釜中,120℃,水热24h,待其自然冷却后,用蒸馏水洗涤干燥。
根据Fe2O3/Sr2FeTaO6-x比值(质量百分比),如10%Fe2O3/Sr2FeTaO6-x, 30%Fe2O3/Sr2FeTaO6-x,50%Fe2O3/Sr2FeTaO6-x,70%Fe2O3/Sr2FeTaO6-x, 90%Fe2O3/Sr2FeTaO6-x);具体配比如下表所示:
本发明所述的制备方法所制备的Fe2O3/Sr2FeTaO6-x光催化剂。
本发明所述的Fe2O3/Sr2FeTaO6-x光催化剂在降解氮氧化物中的应用。
本发明中所有原料均是由市售可得。
机理:本发明采用有机和水混合体系,具体是采用油酸-油酸钠体系制备Sr2FeTaO6纳米材料,可以使得水热反应温度大大降低,只需要120-200℃左右即可实现,而纯水体系中需要400℃才能实现,同时通过在有机金属盐与油酸之间形成有机MOF框架结构,以此来控制反应速率,实现Sr2FeTaO6材料的纳米化制备,本发明中形成MOF之后,相当于将金属离子固定了,由于油酸分子有较长的碳链,因此空间位阻较大,可以限制金属离子参与反应的速率。如果不形成MOF,金属离子间会在很短的时间内完成反应,导致合成的颗粒粒径达到微米级。
本发明首次发现通过在有机-水混合体系中,可以在较低的温度,采用常见的水热法制备得到双钙钛矿纳米材料(Sr2FeTaO6纳米颗粒),且对反应设备要求低,成本小。
另外一个重要的方面,本发明通过实验发现首先对Sr2FeTaO6进行表面氧空位改性,然后利用Sr2FeTaO6-x和Fe2O3都含铁原子,且Fe-O键较易形成的特定,采用低温水热法制备得到了在Sr2FeTaO6-x-Fe2O3界面作用力强的 Fe2O3/Sr2FeTaO6复合半导体体系,实现了其可见光催化性能的大幅提升。
Sr2FeTaO6进行表面氧空位改性的原理为:首先是将氢化钙与Sr2FeTaO6混合均匀,在一定的温度下,氢化钙受热分解产生氢原子,氢原子会与Sr2FeTaO6表面的晶格氧发生作用力,将氧原子夺走,并于Ca原子结合生成氢氧化钙,其结果是Sr2FeTaO6失去一定量的表面氧,形成氧空位。
利用Sr2FeTaO6和Fe2O3都含铁原子,且Fe-O键较易形成的特定,采用低温水热法制备得到了在Sr2FeTaO6-x-Fe2O3界面作用力强的Fe2O3/Sr2FeTaO6-x复合半导体体系,当Sr2FeTaO6表面形成氧空位后,其表面还有大量的金属悬键(主要是Fe原子)。当将Sr2FeTaO6-x置于含有Fe离子的乙醇水溶液中时,金属悬键会首先与水分子发生作用,在Sr2FeTaO6-x表面形成羟基;溶液中的Fe离子会有表面羟基发生能作用,形成Sr2FeTaO6-x-OH-Fe的结构,在一定的温度下,上述结构的物质逐渐转化为Sr2FeTaO6-x-O-Fe,并最终形成Sr2FeTaO6-x-Fe2O3,实现界面的强作用力,实现了其可见光催化性能的大幅提升。
如果通过机械混合,将分别制备得到Sr2FeTaO6-x和Fe2O3按照一定的比例混合在一起,并研磨使之充分接触,由于在该过程中只有物理作用力,因此无法在 Sr2FeTaO6-x和Fe2O3之间形成真实的键合,不利于光生电子的快速转移。
如果通过磁控溅射法可以制备少量的Sr2FeTaO6-x-Fe2O3,且实现界面键合。但该方法存在以下缺点:1)难以实现大规模制备;磁控溅射主要是用一定的粒子(或离子)对靶材进行轰击,并对轰击碎片进行筛选,该方法对设备要求较高且磁控溅射设备属专用设备,难以普及,相对而言。2)成本高;磁控溅射法使用的离子源价格昂贵,且需要定期更换,操作复杂,因此无论是材料成本还是人工成本都远高于本发明涉及到的方法.
所以本发明使用方法采用的氢化钙还原法和水热法对设备的要求非常低,有利于大规模制备,并且最终形成的体系界面的强作用力,实现了其可见光催化性能的大幅提升。
有益效果:与现有技术相比,本发明具有如下优点:
(1)本发明提供了一种全新制备的Fe2O3/Sr2FeTaO6-x复合半导体光催化剂的方法,本发明基于水热法-氢化钙改性法,通过调节反应参数,最终合成得到了界面作用力强的Fe2O3/Sr2FeTaO6-x复合半导体体系,实现光催化降解氮氧化物大幅提升。
(2)本发明所涉及到的新型双钙钛矿Sr2FeTaO6材料的制备方法具有工艺简单、成本低、原料广,具有制备过程易控制以及收率高等优点;所制备得到的Sr2FeTaO6材料为纳米量级的片状,与传统高温煅烧法制备的Sr2FeTaO6光催化材料相比具有更大的比表面积,有利于光催化氮氧化物降解性能的大幅提升;然后通过对Sr2FeTaO6进行表面氧空位改性,然后利用Sr2FeTaO6-x和 Fe2O3都含铁原子,且Fe-O键较易形成的特定,采用低温水热法制备得到了在 Sr2FeTaO6-x-Fe2O3界面作用力强的Fe2O3/Sr2FeTaO6-x复合半导体体系,实现了其可见光催化性能的大幅提升。
(3)本发明制备Fe2O3/Sr2FeTaO6-x光催化剂具有常温反应、催化活性高、环境友好的优势在移动源和固定源降解氮氧化物方面具有广阔的应用前景;该催化剂可以在常温条件下进行降解氮氧化物,NO等NOx气体转化率高。 NO的转化率最高可以达到70%以上,连续运行100h活性无大的波动。
(3)本发明利用油酸-油酸钠体系先制备的Sr2FeTaO6再合成 Fe2O3/Sr2FeTaO6-x光催化剂,具有反应窗口温度宽、催化活性高、无污染等优点;该材料可以在常温条件下进行降解氮氧化物,同时本发明制备 Fe2O3/Sr2FeTaO6-x的方法,工艺简单、成本低、原料广,具有制备过程易控制以及收率高等优点。
附图说明
图1为本发明制备的Fe2O3/Sr2FeTaO6-x材料的XRD图;
图2为本发明制备的Fe2O3/Sr2FeTaO6-x材料的活性图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
30%Fe2O3/Sr2FeTaO6-x光催化剂的制备及降解氮氧化物评价
(1)将7.5ml的油酸溶于52.5ml的无水乙醇中,再加入300mg的油酸钠,充分搅拌,使其完全溶解;
(2)往上述溶液中加入1.074g的五氯化钽,再加入1.059g的乙酰丙酮铁和 1.234g的乙酸锶,搅拌12h左右,使其完全溶解;
(3)加入氢氧化钠溶液(8M),搅拌溶解,此时溶液pH为12。
(4)将溶液加入到水热釜进行水热反应200℃,加热反应12h,用无水乙醇和水冲洗,干燥得Sr2FeTaO6粉体;
(5)将步骤(4)得到的Sr2FeTaO6粉体样品与氢化钙粉末以摩尔比1:10 混合,研磨,使之充分混合,将上述样品移至马弗炉中,常压煅烧,在300℃下煅烧3h,得深红色Sr2FeTaO6-x样品;
(6)配制30mL乙醇水溶液,其中乙醇的体积比为50%,然后加入氯化铁使得Fe3+的浓度为1mM,搅拌2h得到铁盐-乙醇水溶液;将1g的Sr2FeTaO6-x样品粉末加入到3.75mL铁盐-乙醇水溶液中,剧烈搅拌2h,利用1M氢氧化钠溶液调节其pH为10,转移到水热反应釜中,120℃,水热24h,待其自然冷却后,用蒸馏水洗涤干燥,得到30%Fe2O3/Sr2FeTaO6-x光催化剂材料。
本实施例制备的Fe2O3/Sr2FeTaO6-x光催化剂材料XRD图如图1所示,图1 说明所制备材料为的Fe2O3/Sr2FeTaO6-x光催化剂材料。
活性测试方法:采用固定床反应器进行催化剂性能评价,将制备的 Fe2O3/Sr2FeTaO6-x催化脱硝材料装填入一个石英管反应器中,上下端面用石英棉固定;评价气体采用钢瓶配气,通过质量流量计调节气体组分。评价气体组分如下:NO:500ppm,NH3:500ppm,O2:10%,湿度为50%,N2为平衡气,流速:1L·h-1,反应器出口尾气浓度采用FIX800-NOx氮氧化物气体探测器检测。测试温度范围为常温20~25℃。光源为250W氙灯。NO的转化率在70%左右;如图2所示。
对比例1
(1)将7.5ml的油酸溶于52.5ml的无水乙醇中,再加入300mg的油酸钠,充分搅拌,使其完全溶解;
(2)往上述溶液中加入1.074g的五氯化钽,再加入1.059g的乙酰丙酮铁和1.234g的乙酸锶,搅拌12h左右,使其完全溶解;
(3)加入氢氧化钠溶液(8M),搅拌溶解,此时溶液pH为12。
(4)将溶液加入到水热釜进行水热反应200℃,加热反应12h,用无水乙醇和水冲洗,干燥得Sr2FeTaO6粉体;
采用实施例1的活性测试方法,Sr2FeTaO6的NO的转化率在55-60%左右。而Fe2O3只能达到10%左右。
实施例2
采用实施例1相同的方法,不同之处在于:将1g的Sr2FeTaO6-x样品粉末加入到1.25mL铁盐-乙醇水溶液中,最终得到10%Fe2O3/Sr2FeTaO6-x。NO的转化率在65%左右
实施例3
采用实施例1相同的方法,不同之处在于:将1g的Sr2FeTaO6-x样品粉末加入到6.25mL铁盐-乙醇水溶液中,最终得到50%Fe2O3/Sr2FeTaO6-x。NO的转化率在55-60%左右
实施例4
采用实施例1相同的方法,不同之处在于:将1g的Sr2FeTaO6-x样品粉末加入到8.75mL铁盐-乙醇水溶液中,最终得到70%Fe2O3/Sr2FeTaO6-x。NO的转化率在40%左右
实施例5
采用实施例1相同的方法,不同之处在于:将1g的Sr2FeTaO6-x样品粉末加入到11.25mL铁盐-乙醇水溶液中,最终得到90%Fe2O3/Sr2FeTaO6-x。NO的转化率在30%左右
实施例6
(1)将17.5ml的油酸溶于100mL的无水乙醇中,再加入500mg的油酸钠,充分搅拌,使其完全溶解;
(2)往上述溶液中加入2.148g的五氯化钽,再加入2.118g的乙酰丙酮铁和 1.234g的乙酸锶,搅拌12h左右,使其完全溶解;
(3)加入氢氧化钠溶液(8M),搅拌溶解;此时溶液pH为14。
(4)将溶液加入到水热釜进行水热反应200℃,加热反应12h,用无水乙醇和水冲洗,干燥得Sr2FeTaO6粉体;
(5)将步骤(4)得到的Sr2FeTaO6粉体样品与氢化钙粉末以摩尔比1:12 混合,研磨,使之充分混合,将上述样品移至马弗炉中,常压煅烧,在300℃下煅烧1h,得深红色Sr2FeTaO6-x样品;
(6)配制30ml乙醇水溶液,其中乙醇的体积比为50%,然后加入硝酸铁使得Fe3+的浓度为1mM,搅拌2h;将1g的Sr2FeTaO6-x样品粉末加入到3.75mL铁盐-乙醇水溶液中,,剧烈搅拌2h,利用1M氢氧化钠溶液调节其pH为10,转移到水热反应釜中,150℃,水热20h,待其自然冷却后,用蒸馏水洗涤干燥,得到30%Fe2O3/Sr2FeTaO6-x光催化剂材料。
实施例7
(1)将5ml的油酸溶于10mL的无水乙醇中,再加入200mg的油酸钠,充分搅拌,使其完全溶解;
(2)往上述溶液中加入2.148g的五氯化钽,再加入1.059g的乙酰丙酮铁和 1.234g的乙酸锶,搅拌12h左右,使其完全溶解;
(3)加入氢氧化钠溶液(8M),搅拌溶解;此时溶液pH为10。
(4)将溶液加入到高压水热釜进行水热反应200℃,加热反应12h,用无水乙醇和水冲洗,干燥得Sr2FeTaO6粉体;
(5)将步骤(4)得到的Sr2FeTaO6粉体样品与氢化钙粉末以摩尔比1:5 混合,研磨,使之充分混合,将上述样品移至马弗炉中,常压煅烧,在300℃下煅烧5h,得深红色Sr2FeTaO6-x样品;
(6)配制30ml乙醇水溶液,其中乙醇的体积比为50%,然后加入硫酸铁使得Fe3+的浓度为2mM,搅拌2h;将2g的Sr2FeTaO6-x样品粉末加入到3.75mL铁盐-乙醇水溶液中,,剧烈搅拌2h,利用1M氢氧化钠溶液调节其pH为10,转移到水热反应釜中,150℃,水热20h,待其自然冷却后,用蒸馏水洗涤干燥,得到30%Fe2O3/Sr2FeTaO6-x光催化剂材料。
实施例8
与实施例1制备方法相同,不同之处在,将步骤(2)的乙酸锶换成硝酸锶,乙酰丙酮铁替换成硝酸铁,五氯化钽、硝酸锶与硝酸铁的摩尔比为1:1:1;步骤 (4)将溶液加入到高压水热釜进行水热反应220℃,加热反应6h;步骤(6)采用草酸铵铁。
实施例9
与实施例1制备方法相同,不同之处在,将步骤(2)的乙酸锶换成硝酸锶,乙酰丙酮铁替换成氯化铁,其他不变,五氯化钽、硝酸锶与硝酸铁的摩尔比为 2:1:2;步骤(4)将溶液加入到高压水热釜进行水热反应120℃,加热反应96h;步骤(6)采用醋酸铁。
实施例10
与实施例1制备方法相同,不同之处在,将油酸的量为1ml,油酸钠的量为 10mg;乙醇的量为10ml。
实施例6-10测得NO的转化率均在65%以上。
本发明制备得到了在Sr2FeTaO6-x-Fe2O3界面作用力强的Fe2O3/Sr2FeTaO6复合半导体体系,实现了其可见光催化性能的大幅提升;因为氧化铁的性能不好,Fe2O3/Sr2FeTaO6-x光催化剂中氧化铁的含量越少,效果越好,但是本发明研究发现,Fe2O3在含量为30%时效果最好,不含Fe2O3的Sr2FeTaO6-x效果并不是最好,说明复合光催化剂Fe2O3/Sr2FeTaO6-x光催化性能更好,尤其是 10%Fe2O3/Sr2FeTaO6-x和30%Fe2O3/Sr2FeTaO6-x。
Claims (9)
1.一种Fe2O3/Sr2FeTaO6-x光催化剂的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将油酸溶于无水乙醇中,再加入油酸钠,充分搅拌,使其完全溶解;
(2)往步骤(1)得到的溶液中加入五氯化钽,再加入有机铁盐和有机锶盐,搅拌使其完全溶解,所述有机铁盐为乙酰丙酮铁,有机锶盐为乙酸锶;
(3)加入氢氧化钠,调节溶液的pH为10-14;
(4)将步骤(3)得到混合溶液转移到水热釜进行水热反应,反应结束后待其自然冷却,用无水乙醇和水反复冲洗,干燥得Sr2FeTaO6粉体;
(5)将步骤(4)得到的Sr2FeTaO6粉体样品与氢化钙粉末,研磨,使之充分混合后,将其转移到马弗炉中煅烧,得深红色Sr2FeTaO6-x样品粉末;
(6)配制乙醇水溶液,加入铁盐,搅拌,再加入Sr2FeTaO6-x样品粉末,剧烈搅拌,调节其pH,水热反应,待其自然冷却后,用蒸馏水洗涤干燥,得到Fe2O3/Sr2FeTaO6-x光催化剂。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述油酸的量为1~17.5 ml,油酸钠的量为10~500mg;乙醇的量为10~100ml。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)所述五氯化钽、有机锶盐与有机铁盐的摩尔比为0.5~4:0.25~4:0.5~4。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(4)所述水热反应的加热温度为120~220℃,加热时间为6h~96h。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(5)所述Sr2FeTaO6粉体样品与氢化钙粉末的摩尔比为1:5-12;在300℃下煅烧1-5h,得Sr2FeTaO6-x样品。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(6)所述铁盐为氯化铁,硝酸铁,硫酸铁,乙酰丙酮铁,草酸铵铁,醋酸铁,1-羟乙基二茂铁,加入铁盐的量使得乙醇水溶液中铁离子的浓度为1-2mM。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(6)所述水热反应温度为120~150℃,加热时间为20-24h。
8.一种权利要求1所述的制备方法所制备的Fe2O3/Sr2FeTaO6-x光催化剂。
9.一种权利要求8所述的Fe2O3/Sr2FeTaO6-x光催化剂在降解氮氧化物中的应用。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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