CN114225944A - 一种富含氧空位的wo3纳米阵列光催化剂的制备方法及其应用 - Google Patents
一种富含氧空位的wo3纳米阵列光催化剂的制备方法及其应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂的制备方法及其应用,属于光催化剂技术领域,本发明包括以下步骤;(1)将钨酸盐、表面活性剂溶于水中,得到溶液1;(2)将过渡金属盐溶于水中进行分散,制溶液2;(3)将溶液2滴入溶液1中,制成溶液3;(4)向溶液3中添加酸性溶液,搅拌得到溶液4;(5)将溶液4进行水热反应;(6)真空干燥,得到有色产物;(7)将有色产物植入管式炉中,在特定气氛下进行加压焙烧,得到富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂。本发明可以自模板生成不同阵列形貌的氧化钨纳米材料,提高可见光选择性;通过氧空位、硫空位或氮空位增加材料的表面吸附能和光电子捕获能力,实现光催化材料的高度选择性。
Description
技术领域
本发明属于光催化剂技术领域,具体涉及一种富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂的制备方法及其应用。
背景技术
纳米级半导体材料是一种具有广泛应用的材料,特别是在光催化领域。氧化钨以其合适的能带结构和高的反应过程稳定性而备受关注。此外,氧化钨具有独特的非化学计量比的表面状态,为其表面空位的调控提供了很好的先决条件。氧化钨基纳米材料具有特殊的光致变色和远红外吸收特性,是一种有很好应用前景的新型纳米半导体光催化材料。然而,氧化钨低的表面吸附性能和不均匀的表面氧空位,限制了其进一步的发展和应用。
已公开的申请号为201810092068.5的中国发明专利中公开了一种带有氧空位的单斜相WO3的制备方法,将Na2WO4·2H2O溶液的pH值调节为0.2~4.0,搅拌后转移到带有聚四氟乙烯内衬的水热釜中,采用微波水热法制备WO3,选择控温模式或者压控模式进行反应0.5~2h,干燥,得到带有氧空位的单斜相WO3;其中,温控模式的温度为140~200℃,压控模式的气压为0.5MPa~3MPa。该申请是采用微波水热法制备单斜氧化钨的方法,通过一定的钨前驱体在特定条件和装置中进行微波水热,得到具有一定氧空位的三氧化钨纳米相,该方法操作简单反应可控,但其具有高的设备要求和大的耗能。
已公开的申请号为202010240435.9的中国专利中公开了一种双助催化剂修饰不同晶面的氧化钨纳米阵列材料及制备。所述WO3纳米阵列材料的{020}晶面垂直于基底材料,并在其形成的{200}和{020}晶面上沉积贵金属成分,在其主要暴露的{002}晶面上修饰ZnFe-LDH。该发明通过简单的溶剂热法直接在各种基底材料上生长出不同晶面暴露的WO3·H2O纳米方块阵列薄膜,经煅烧后得到结晶性较好的WO3光电阳极,在特定的模板上生长具有不同暴露面的氧化钨纳米整列,能够很好的提高材料的光降解性能和光催化选择性,但是操作上可控性差。
已公开的申请号为201510222857.2发明专利中公开了一种具有氧空位的介孔WO3-x可见光催化剂及制备方法,即以介孔二氧化硅分子筛KIT-6为硬模板,以硅钨酸或磷钨酸水合物为三氧化钨前驱体,空气中控制温度350-600℃焙烧得负载三氧化钨的介孔二氧化硅分子筛KIT-6,再以H2为还原剂,控制温度450-550℃煅烧得具有氧空位、负载三氧化钨的介孔二氧化硅分子筛KIT-6,最后用质量百分比浓度为10%的HF水溶液除去介孔二氧化硅分子筛KIT-6,即得具有较大的比表面积和孔径的具有氧空位的介孔WO3-x可见光催化剂。该申请通过不同规格的分子筛为模板,以硅钨酸或磷钨酸为前驱体,通过不同气体气氛的焙烧从而形成具有较大比表面积和较多表面氧空位的光催化材料,其制备过程简单和无污染,但成本较高,不容易大规模应用。
现有技术中的氧化钨具有催化剂催化的选择性差,光催化效率低,而且氧空位不可控的技术缺陷。开发一种简单易得,成本较低且具有纳米阵列的氧化钨基材料,并在其表面引入合适的空位,对于提高其光催化效率和循环稳定性能具有重要的意义。
发明内容
有鉴于此,本发明提供一种富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂的制备方法及其应用,通过前驱体离子间的相互作用,可以自模板生成不同阵列形貌的氧化钨纳米材料,过渡金属离子的掺杂有利于调节材料的价带结构,提高可见光选择性;通过焙烧气氛调节氧空位、硫空位或氮空位,增加材料的表面吸附能和光电子捕获能力,实现光催化材料的高度选择性。
本发明为一种富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂的制备方法,包括以下步骤;
(1)将钨酸盐、表面活性剂溶于水中,进行超声分散,时间为0.5-1h,
得到溶液1,所述钨酸盐为钨酸钠、钨酸钾和钨酸铵中的一种或多种,所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基苯磺酸钠中的一种或多种,如所述表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮;
其中,钨酸钠、钨酸钾、钨酸铵用于制备本体氧化钨的前驱体;过渡金属如铜、铁、钴、镍的氯化盐和硝酸盐作为掺杂离子前驱体,用于调节半导体价带结构。
(2)将过渡金属盐溶于水中进行超声分散,制的溶液2,所述过渡金属为铜、铁、钴、镍中的一种或多种,过渡金属盐为铜、铁、钴、镍的氯化盐或硝酸盐,例如过渡金属盐可以为硝酸镍、氯化钴、氯化铜中的一种或多种,其中,钨酸盐、过渡金属盐的摩尔比为2:0.12-0.15;
(3)在搅拌的情况下将溶液2滴入溶液1中,制成溶液3;
(4)向溶液3中添加酸性溶液作为PH值调节剂和缓冲剂,调整pH值为2-6,继续搅拌(5-10h)得到溶液4,酸性溶液为盐酸、醋酸、柠檬酸中的一种或多种;
溶液4为乳浊液,通过控制酸的加入时间和加入量调整pH值,使钨前驱体和过渡金属离子充分融合,在表面活性剂(PVP,CTAB或SDBS)的作用下,形成自模板剂,促进氧化钨阵列结构的形成。
(5)将溶液4(放入水热反应釜中)进行水热反应,所述水热反应的温度为160-200℃,水热反应的时间为12-24h;
通过控制钨酸盐、溶液PH值和表面活性剂量,通过钨酸盐前驱体离子间的相互作用,可以自模板生成不同阵列形貌的氧化钨纳米材料,过渡金属离子的掺杂有利于调节材料的价带结构,提高可见光选择性;
(6)将步骤(5)中水热反应后的反应产物进行清洗,清洗使用的是乙醇稀释液,离心后进行真空干燥,真空干燥的温度为60-70℃,真空干燥的时间为10-12h,得到有色产物;
(7)将所述有色产物植入管式炉中,进行焙烧,所述焙烧的条件为在氢气和或氩气下,气体压力为0.1-1MPa,升温速度为1-5℃/min,升温至200-800℃,保温30-180min,得到富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂。
在这种焙烧条件下,能够合理的调节氧化钨纳米材料表面空位和吸附位点结构,通过氧空位、硫空位或氮空位增加材料的表面吸附能力和光电子捕获能力,实现光催化材料的高度选择性。
一种基于前文所述的一种富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂的应用,所述富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂可应用到光催化固氮、光催化产氢中。
半导体光催化机理;当半导体被适当的光照射时,电子被激发到导带,在价带处产生空穴。这些载流子通过适当的吸附作用进行界面电荷转移,从而引发氧化还原反应,或者将多余的能量转换成热能。光催化剂价带上的电子受光激发跃迁到导带,在导带形成光生电子,而在价带上产生空穴。很大一部分光生电子和空穴会在发生下一步的反应之前复合。当光生载流子(光生电子和空穴)迁移到光催化剂的表面,二者分别可以对吸附在光催化剂表面的物质进行还原和氧化反应。另外光生载流子也可以与吸附在光催化剂表面的分子发生能量和电荷交换,产生高活性的·OH、H2O2、O2等物种,这些基团可以参与进一步化学反应。导带和价带的电势必须足以产生超氧化合物和羟基自由基,这两种自由基对于高效的光催化是必不可少的。
WO3基半导体光催化剂带隙较小(带隙2.4-2.8V),具有可见光活性,其价带位置较低,具有很强的空穴氧化能力,本申请制备的三氧化钨具有稳定可控的有效氧空位,同时具有无毒、廉价、制备简便、纯度高、在各种电解质中持久稳定、光敏、内吸收强等特点,太阳光谱内吸收强烈,抗光腐蚀能力强,光电流转换效率显著,更重要的是,更深的价带(3.1-3.2eV)和更长的孔扩散长度(150nm)以及更显著的电子迁移率(6.5cm2Vs)延长了载流子的寿命,在活性氧的生成中起了至关重要的作用。本申请中添加的过渡金属离子能够提高在催化过程中催化剂的产氢活性,同时有利于调节材料的价带结构,提高可见光选择性。
本发明的有益效果;
(1)通过精确控制钨酸盐前驱体含量、溶液PH值和表面活性剂量,通过前驱体离子间的相互作用,可以自模板生成不同阵列形貌的氧化钨纳米材料,过渡金属离子的掺杂有利于调节材料的价带结构,提高可见光选择性;
(2)通过焙烧,可以调节氧化钨纳米材料表面空位和吸附位点结构,在纳米氧化物表面的氧空位、硫空位或氮空位增加材料的表面吸附能和光电子捕获能力,实现光催化材料的高度选择性;
(3)本发明中的自模板法不需要外加硬模板,方法更加简单可控、原料和设备成本更低,对于实现氧化钨半导体光催化材料的进一步应用具有重要意义;
(4)本发明中制备的富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂能够应用到光催化固氮、光催化产氢,能明显提高光催化固氮、产氢的效率。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中实施例1提供的一种富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂的SEM图;
图2为本发明具体实施方式中实施例1提供的一种富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂的XRD图(O1s);
图3为本发明具体实施方式中实施例2提供的一种富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂的XRD图;
图4为本发明具体实施方式中实施例5商业纳米氧化钨和富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂的吸光度曲线对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细描述。
实施例1
一种富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)将0.002mol的钨酸钠、50mg十六烷基三甲基溴化铵溶于水中,进行超声分散,时间为0.5h,得到溶液1;
(2)将0.00012mol的氯化钴溶于水中进行超声分散,制的溶液2;
(3)在搅拌的情况下将溶液2滴入溶液1中,制成溶液3;
(4)向溶液3中添加酸性溶液作为PH值调节剂和缓冲剂,调整pH值为2,继续搅拌5h得到溶液4,酸性溶液为盐酸;
(5)将溶液4放入水热反应釜中进行水热反应,所述水热反应的温度为160℃,水热反应的时间为12h;
(6)将步骤(5)中水热反应后的反应产物进行清洗,清洗使用的是乙醇稀释液,离心后进行真空干燥,真空干燥的温度为60℃,真空干燥的时间为10h,得到有色产物;
(7)将所述有色产物植入管式炉中,进行焙烧,所述焙烧的条件为在氢气气氛下,气体压力为0.1MPa,升温速度为1℃/min,升温至200℃,保温30min,得到富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂。
本实施例制得得富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂进行分析,可以得知如图1,在钴离子和PVP的相互作用下能够自模板形成纳米棒状阵列结构,其表面氧空位结构如图2,本实施例中制得的富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂表面具有丰富的氧空位。
实施例2
一种富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)将0.002mol的钨酸钾、100mg聚乙烯吡咯烷酮溶于水中,进行超声分散,时间为1h,得到溶液1;
(2)将0.00015mol的硝酸镍溶于水中进行超声分散,制的溶液2;
(3)在搅拌的情况下将溶液2滴入溶液1中,制成溶液3;
(4)向溶液3中添加酸性溶液作为PH值调节剂和缓冲剂,调整pH值为6,继续搅拌10h得到溶液4,酸性溶液为醋酸、柠檬酸混合;
(5)将溶液4放入水热反应釜中进行水热反应,所述水热反应的温度为200℃,水热反应的时间为24h;
(6)将步骤(5)中水热反应后的反应产物进行清洗,清洗使用的是乙醇稀释液,离心后进行真空干燥,真空干燥的温度为70℃,真空干燥的时间为12h,得到有色产物;
(7)将所述有色产物植入管式炉中,进行焙烧,所述焙烧的条件为在氢气、氩气混合气体的气氛下,气体压力为1MPa,升温速度为5℃/min,升温至800℃,保温180min,得到富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂。
取本实施例制得得富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂进行XRD分析,如图3,可以得知在镍离子和CTAB的相互作用下能够自模板形成纳米片状阵列结构,通过XRD峰的偏移可以确定Ni的掺杂。
实施例3
一种富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)将0.002mol的钨酸铵、100mg十二烷基苯磺酸钠溶于水中,进行超声分散,时间为0.7h,得到溶液1;
(2)将0.00013mol的氯化铜溶于水中进行超声分散,制的溶液2;
(3)在搅拌的情况下将溶液2滴入溶液1中,制成溶液3;
(4)向溶液3中添加酸性溶液作为PH值调节剂和缓冲剂,调整pH值为4,继续搅拌6h得到溶液4,酸性溶液为柠檬酸;
(5)将溶液4放入水热反应釜中进行水热反应,所述水热反应的温度为180℃,水热反应的时间为18h;
(6)将步骤(5)中水热反应后的反应产物进行清洗,清洗使用的是乙醇稀释液,离心后进行真空干燥,真空干燥的温度为65℃,真空干燥的时间为11h,得到有色产物;
(7)将所述有色产物植入管式炉中,进行焙烧,所述焙烧的条件为在氩气气氛下,气体压力为0.5MPa,升温速度为3℃/min,升温至700℃,保温80min,得到富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂。
实施例4
本实施例与实施例3相似,区别在于过渡金属盐为氯化铁。
实施例5
取实施例1中制备的富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂进行光催化固氮实验,同时取相同质量的商业纳米氧化钨材料(AR,麦克林试剂)作为对照组。将100mg富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂和100mg商业纳米氧化钨材料分别置入光催化反应器中,分别加入250ml去离子水和2ml甲醇,超声分散30min,在电磁搅拌下通入氮气,鼓吹30min,去除溶液中的杂质气体,采用氙灯光源照射,进行固氮实验,反应时间为4h。反应结束后,对溶液离心,取上清液,加入奈斯特试剂,用紫外-可见分光光度计测量其吸光度曲线,并通过420nm处的吸光度对比标准曲线确定体系NH3产率,如图4所示。可以看出,商业纳米三氧化钨NH3产率只有约30μmol/g/h,而钴掺杂纳米阵列氧化钨的NH3产率可达200μmol/g/h,具有有效氧空位的纳米阵列材料明显提高了光催化固氮效率。
取实施例2-4中的富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂重复上述实验得到的结果相似,不在此赘述。
实施例6
取实施例1中制备的富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂进行光催化产氢实验,同时取相同质量的商业纳米氧化钨材料(AR,麦克林试剂)作为对照组。将100mg富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂和100mg商业纳米氧化钨材料分别置入光催化反应器中,分别加入250ml去离子水和2ml甲醇,超声分散30min,在电磁搅拌下通入氩气,鼓吹30min,去除溶液中的杂质气体。采用氙灯作为光源模拟太阳光,氩气作为载气,进行光催化产氢实验,反应时间为5h,通过热导技术测定产氢量。商业纳米三氧化钨H2产率只有约5μmol,而钴掺杂纳米阵列氧化钨的H2产率可达50μmol以上,具有有效氧空位的纳米阵列材料明显提高了光催化产氢量。
取实施例2-4中的富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂重复上述实验,均可以得到优于商业纳米氧化钨的结果。
本发明通过精确控制钨酸盐前驱体含量、溶液PH值和表面活性剂量,通过前驱体离子间的相互作用,可以自模板生成不同阵列形貌的氧化钨纳米材料,过渡金属离子的掺杂有利于调节材料的价带结构,提高可见光选择性;通过焙烧,可以调节氧化钨纳米材料表面空位和吸附位点结构,在纳米氧化物表面的氧空位、硫空位或氮空位增加材料的表面吸附能和光电子捕获能力,实现光催化材料的高度选择性;本发明中的自模板法不需要外加硬模板,方法更加简单可控、原料和设备成本更低,对于实现氧化钨半导体光催化材料的进一步应用具有重要意义;本发明中制备的富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂能够应用到光催化固氮、光催化产氢,能明显提高光催化固氮、产氢的效率。
Claims (9)
1.一种富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤;
将钨酸盐、表面活性剂溶于水中,进行超声分散,得到溶液1,所述钨酸盐为钨酸钠、钨酸钾和钨酸铵中的一种或多种,所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基苯磺酸钠中的一种或多种;
将过渡金属盐溶于水中进行超声分散,制得溶液2,所述过渡金属为铜、铁、钴、镍中的一种或多种;
在搅拌的情况下将溶液2滴入溶液1中,制成溶液3;
向溶液3中添加酸性溶液,调整pH值为2-6,继续搅拌得到溶液4;
将溶液4进行水热反应,所述水热反应的温度为160-200℃,水热反应的时间为12-24h;
将步骤(5)中水热反应后的反应产物进行清洗、离心后进行真空干燥,得到有色产物;
将所述有色产物植入管式炉中,进行焙烧,得到富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂的制备方法,其特征在于,所述钨酸盐、过渡金属盐、表面活性剂的摩尔比为2:0.12-0.15。
3.根据权利要求1所述的一种富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂的制备方法,步骤(2)中所述过渡金属盐为铜、铁、钴、镍的氯化盐或硝酸盐。
4.根据权利要求3所述的一种富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂的制备方法,步骤(2)中所述过渡金属盐为硝酸镍、氯化钴、氯化铜中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂的制备方法,其特征在于,所述焙烧的条件为在氢气和或氩气下,气体压力为0.1-1 MPa,升温速度为1-5℃/min,升温至200-800℃,保温30-180min。
6.根据权利要求1所述的一种富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂的制备方法,其特征在于,所述酸性溶液为盐酸、醋酸、柠檬酸中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的一种富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂的制备方法,其特征在于,所述表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮。
8.根据权利要求1所述的一种富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(6)中进行真空干燥的温度为60-70℃,真空干燥的时间为10-12h。
9.一种基于权利要求1-8中任意一项所述的一种富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂的应用,其特征在于,所述富含氧空位的WO3纳米阵列光催化剂可应用到光催化固氮、光催化产氢中。
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