CN111604053B - 三元水滑石光催化剂及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三元水滑石光催化剂及其制备方法与应用；所述三元水滑石光催化剂包括Ni掺杂的镁铝水滑石纳米片。本发明利用Ni对镁铝水滑石进行进行掺杂改性，Ni离子可以改变其表面电子结构，从而改善电荷转移性能，抑制电子空穴复合以及自由基的形成，进而提高了其紫外光催化活性。本发明的Ni掺杂的镁铝水滑石纳米片是一种具有紫外光响应的光催化剂，可用于降解空气中的污染物NO，表现出了极高的反应活性和稳定性，并且对NO2的产生有明显的抑制作用，是潜在的高效环境修复材料，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光催化剂技术领域，具体涉及一种三元水滑石光催化剂及其制备方法与应用。
背景技术
随着社会的不断进步，经济的快速发展，能源紧缺和环境恶化是一直以来困扰人们的严峻问题，在解决这些问题的探究过程中，光催化技术起到的作用是不可忽视的。在环境污染控制领域，光催化技术是一种可以通过太阳能激发半导体所产生的活性自由基或基团(·OH、O2·、HO2·，H2O2)，来实现环境中多种有毒有害物质高效去除的新兴技术，在室内空气污染治理方面表现出广阔的应用前景。目前，新型的光催化材料更加注重能量转化效率的提高及对光的选择范围的扩大，抑制副反应的发生等，因此，寻求一种光能利用率高并且抑制中间有毒副产物NO2的半导体光催化剂乃当务之急。
在对半导体类光催化剂的研究中发现，镁铝水滑石半导体的层状结构、层间离子，具有可交换性，通过调控层板金属离子的种类，经过金属-金属电荷转移，可以有效调控其能带吸收。此外，镁铝水滑石制备方法简单，原料价格低廉，具有低的哺乳动物毒性，化学稳定性优异，且环境友好，很快便得到了广泛的关注，被广泛应用于能源和环境光催化领域，例如固氮合成氨，水解产氢、产氧，光分解有机污染物，光降解氮氧化物等(Lv,L,et.al.Adv.EnergyMater.,2019,9(17),1803358；Zhang,B.,et.al.Colloid Surface A.,2017,520,399-408)。
但是，镁铝水滑石作为光催化材料仍然存在一系列问题，尤其是光生电子-空穴复合率高、量子效率低、光催化氧化选择性仍不理想等，在环境净化领域中的应用是仍然十分有限。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种三元水滑石光催化剂及其制备方法与应用，能够降低电子和空穴的复合，显著提升催化性能以及选择性。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供了一种三元水滑石光催化剂，所述三元水滑石光催化剂包括Ni掺杂的镁铝水滑石纳米片。
作为优选的技术方案，所述Ni掺杂的镁铝水滑石纳米片的化学式为(NixMg1-x)6Al2(OH)16CO3·4H2O，其中x＝0.1～0.5。
本发明提供了一种三元水滑石光催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将镁源和镍源混合溶解于水中；
(2)向步骤(1)得到的溶液中加入铝源，并搅拌均匀；
(3)向步骤(2)得到的溶液中加入尿素作为沉淀剂，搅拌混合均匀，然后将溶液进行水热反应；水热反应结束后，离心分离，将固体沉淀洗涤、干燥，获得Ni掺杂的镁铝水滑石纳米片。
作为优选的技术方案，所述镍源与镁源的摩尔比为1:1～9。
作为优选的技术方案，所述镁源为硝酸镁，所述镍源为硝酸镍，所述铝源为硝酸铝。
作为优选的技术方案，所述步骤(3)中，水热反应温度为110～130℃，反应时间为20～25h。
本发明还提供了上述三元水滑石光催化剂在光催化降解NO中的应用。
本发明的有益效果在于：
本发明利用Ni对镁铝水滑石进行进行掺杂改性，Ni离子可以改变其表面电子结构，从而改善电荷转移性能，抑制电子空穴复合以及自由基的形成，进而提高了其紫外光催化活性。本发明的Ni掺杂的镁铝水滑石纳米片是一种具有紫外光响应的光催化剂，可用于降解空气中的污染物NO，表现出了极高的反应活性和稳定性，并且对NO2的产生有明显的抑制作用，是潜在的高效环境修复材料，具有广阔的应用前景。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为对比例1制备的镁铝水滑石的透射电镜图；
图2为实施例1制备的镍0.5镁铝水滑石和实施例2制备的镍1.25镁铝水滑石的透射电镜图；
图3为实施例1制备的镍0.5镁铝水滑石的高分辨透射电镜图；
图4为对比例1制备的镁铝水滑石、实施例1制备的镍0.5镁铝水滑石和实施例2制备的镍1.25镁铝水滑石的XRD图；
图5为实施例2制备的镍1.25镁铝水滑石应用于空气中NO的去除反应前和反应后的XRD图；
图6为对比例1制备的镁铝水滑石、实施例1制备的镍0.5镁铝水滑石和实施例2制备的镍1.25镁铝水滑石应用于空气中NO去除时的使用效果对比图；
图7为实施例2制备的镍1.25镁铝水滑石对空气中NO的多次循环和长期去除效果对比图；
图8为对比例1制备的镁铝水滑石、实施例1制备的镍0.5镁铝水滑石和实施例2制备的镍1.25镁铝水滑石应用于空气中NO去除时产生NO2的对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
下列实施例中所用方法如无特别说明，均为常规方法。下列实施例中所需要的材料或试剂，如无特殊说明均为市场购得。
实施例1：制备Ni掺杂的镁铝水滑石纳米片(记为镍0.5镁铝水滑石)
(1)将硝酸镍、硝酸镁，按照摩尔比0.5:3.5mmol溶解于80mL去离子水中，搅拌溶解；
(2)向溶液中加入0.8g的硝酸铝并搅拌均匀；
(3)向溶液中加入2.0g尿素作为沉淀剂，剧烈搅拌直至混合成为均匀透明的溶液，将上述溶液转移至100ml的高压水热釜中，在130℃下进行水热反应；水热反应结束后，离心分离，将固体沉淀用乙醇和去离子水多次洗涤，最后放入60℃的烘箱干燥，得到Ni掺杂的镁铝水滑石纳米片，其中Ni掺杂量摩尔比为12.5％，化学式为(Ni0.125Mg0.875)6Al2(OH)16CO3·4H2O。
实施例2：制备Ni掺杂的镁铝水滑石纳米片(记为镍1.25镁铝水滑石)
(1)将硝酸镍、硝酸镁，按照摩尔比1.25:2.75mmol溶解于80mL去离子水中，搅拌溶解；
(2)向溶液中加入0.8g的硝酸铝并搅拌均匀；
(3)向溶液中加入2.0g尿素作为沉淀剂，剧烈搅拌直至混合成为均匀透明的溶液，将上述溶液转移至100ml的高压水热釜中，在130℃下进行水热反应；水热反应结束后，离心分离，将固体沉淀用乙醇和去离子水多次洗涤，最后放入60℃的烘箱干燥，得到Ni掺杂的镁铝水滑石纳米片，其中Ni掺杂量摩尔比为31.3％，化学式为(Ni0.313Mg0.687)6Al2(OH)16CO3·4H2O。
对比例1：制备镁铝水滑石纳米片(记为镁铝水滑石)
(1)将硝酸镁4mmol溶解于80mL去离子水中，搅拌溶解；
(2)向溶液中加入0.8g的硝酸铝并搅拌均匀；
(3)向溶液中加入2.0g尿素作为沉淀剂，剧烈搅拌直至混合成为均匀透明的溶液，将上述溶液转移至100ml的高压水热釜中，在130℃下进行水热反应；水热反应结束后，离心分离，将固体沉淀用乙醇和去离子水多次洗涤，最后放入60℃的烘箱干燥，得到镁铝水滑石纳米片。
图1为对比例1制备的镁铝水滑石的透射电镜图，纳米片呈单分散性，且形貌统一，为直径1μm左右的单分散六边形纳米片。图2为实施例1制备的镍0.5镁铝水滑石和实施例2制备的镍1.25镁铝水滑石的透射电镜图，纳米片形貌均一，且呈单分散性，为直径70-80nm圆滑形纳米片。图3为实施例1制备的镍0.5镁铝水滑石的高分辨透射电镜图。
图4为对比例1制备的镁铝水滑石、实施例1制备的镍0.5镁铝水滑石和实施例2制备的镍1.25镁铝水滑石的XRD图，XRD的结果展示出非常明显的水滑石(003)、(006)、(012)、(015)、(018)、(110)以及(113)晶面特征峰，并未检测到其他物质的特征峰。
将对比例1制备的镁铝水滑石、实施例1制备的镍0.5镁铝水滑石和实施例2制备的镍1.25镁铝水滑石作为光催化剂，将其应用于空气中NO的去除：
干燥后称取一定量，分散到乙醇溶液中，超声5分钟后取出，将其倒入50*50cm的玻璃皿中，旋转铺平，自然干燥。将干燥后的玻璃皿放置于特制的光照射密闭系统中，在相对湿度60％，氧气含量为21％，NO气流的流量为3.0L/min，NO的初始浓度为500μg/ml的条件下，待光照打开时即反应开始时刻，通过实时NO浓度测量来监测体系内NO的降解情况，根据以下公式计算水滑石光催化剂对NO的降解活性：
其中：η％为t时刻体系对NO的去除率；C0为NO的初始浓度，ppb；Ct为NO在t时刻的浓度，ppb。
图5为实施例2制备的镍1.25镁铝水滑石应用于空气中NO的去除反应前和反应后的XRD图，在进行长时间的NO降解后，三元水滑石材料的XRD峰并不会发生显著的变化，也说明三元水滑石稳定性非常好。
图6为对比例1制备的镁铝水滑石、实施例1制备的镍0.5镁铝水滑石和实施例2制备的镍1.25镁铝水滑石应用于空气中NO去除时的使用效果对比图，镁铝水滑石对NO的去除率仅有14％，镍1.25镁铝水滑石对NO的去除率可高达43％。
图7为实施例2制备的镍1.25镁铝水滑石对空气中NO的多次循环和长期去除效果对比图，镍1.25镁铝水滑石经过多次循环后仍可保持较高的活性，证实其稳定性非常好。经过3.5小时的连续反应后，镍1.25镁铝水滑石的活性可以保持较长的时间，有明显的改善效果。
图8为对比例1制备的镁铝水滑石、实施例1制备的镍0.5镁铝水滑石和实施例2制备的镍1.25镁铝水滑石应用于空气中NO去除时产生NO2的对比图，可以看出，经过Ni掺杂的镁铝水滑石对NO的降解相对于镁铝水滑石对NO的降解而言，不仅降解率明显提高，且对NO2的产生有明显的抑制作用。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (5)
1.一种三元水滑石光催化剂在光催化降解NO中的应用，其特征在于：所述三元水滑石光催化剂包括Ni掺杂的镁铝水滑石纳米片，所述Ni掺杂的镁铝水滑石纳米片的化学式为(NixMg1-x)6Al2(OH)16CO3·4H2O，其中x＝0.1～0.5。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述三元水滑石光催化剂的制备方法包括以下步骤：
(1)将镁源和镍源混合溶解于水中；
(2)向步骤(1)得到的溶液中加入铝源，并搅拌均匀；
(3)向步骤(2)得到的溶液中加入尿素作为沉淀剂，搅拌混合均匀，然后将溶液进行水热反应；水热反应结束后，离心分离，将固体沉淀洗涤、干燥，获得Ni掺杂的镁铝水滑石纳米片。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：所述镍源与镁源的摩尔比为1:1～9。
4.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：所述镁源为硝酸镁，所述镍源为硝酸镍，所述铝源为硝酸铝。
5.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：所述步骤(3)中，水热反应温度为110～130℃，反应时间为20～25h。
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