CN1899688A - 能响应可见光的固溶体光催化剂 - Google Patents

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Abstract

一种能响应可见光的固溶体光催化剂，用于半导体光催化技术领域。本发明是由Bi、M、V、O四种元素构成的一种化学式为BixM2－xV2O8的化合物，其中M＝Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm中的一种，0＜x＜2，(Bi+M)∶V∶O的原子比为1∶1∶4。本发明制得的光催化剂能吸收波长小于600 nm的可见光和紫外光，通过负载Pt或RuO2或NiOx助催化剂，能在低于600nm的可见光和紫外光范围内实现水的光催化完全分解和有机物的光催化降解。

Description

能响应可见光的固溶体光催化剂
技术领域
本发明涉及一种光催化剂，特别是一种能响应可见光的光催化剂，用于半导体光催化技术领域。
背景技术
光催化是一种利用光能(特别是太阳光能)进行环境净化和能量转化的新型技术。由于它能广泛地利用天然能源——太阳能，并具有能耗低、反应条件温和、操作简便、可减少二次污染等突出特点而日益受到重视，具有广阔的应用前景。在光照条件下，光催化剂可以生成光生电子和空穴，它们与水发生还原和氧化作用生成氢气和氧气，从而将太阳能直接转换为氢能，实现人工光合作用，为今后的全球能源和环境问题提供了极佳的解决途径。
TiO2是一种典型的光催化剂，禁带宽度为3.2eV左右，光吸收范围局限于紫外区(光波波长＜380nm)。但这部分光仅占整个太阳光总能量的4％，并且目前TiO2量子效率不高于28％，因此太阳能的利用效率只有1％左右，大大限制了对太阳能的利用。尽管有各种方法对TiO2进行改性，使得其能在可见光范围(占太阳光辐射的65％)内工作，但由于这些方法会在TiO2中掺入原子或在晶体中形成缺陷导致光生电子与空穴的复合，使得总量子效率反而有所下降。
开发高量子效率、可见光响应的新型光催化材料是光催化技术的关键。新材料的开发有三种途径可以实现：(1)通过过渡金属掺杂等方法在半导体的禁带中形成新的供体能级；(2)通过非金属元素掺杂等方法在半导体中形成新的价带；(3)通过固溶体法将两种不同能带结构的半导体的价带和导带分别耦合形成新价带和导带。由于方法(3)能同时调节材料的价带和导带位置，具有更大的技术空间和应用前景，因此近年来为研究者所重视。
经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利申请号为03140525.8，名称为：含氮的二氧化钛光催化薄膜及其制备方法，该专利公开了一种在O2/N2反应气体中，采用磁控溅射方法制备含氮的二氧化钛光催化薄膜，具有可见光响应特性。但是磁控溅射方法装置规模大、价格高，同时不适合纳米粉体材料的制备及掺杂改性。利用NH3同TiO2反应也可合成掺氮的二氧化钛光催化剂，但NH3危险性和污染性大。另外，由于通过掺氮方法来改善二氧化钛对可见光的吸收和利用仍然是有限的，近年也有报道合成的某些金属氮氧化物光催化剂对可见光具有良好的响应特性。但是，无论是氮掺杂二氧化钛或金属氮氧化物，都具有不稳定性，在较高的温度或某些条件下氮将会逸出，从而失去对可见光的响应能力。
发明内容
本发明目的在于克服以上技术问题的不足，提出了一种能响应可见光的固溶体光催化剂。本发明可以吸收波长小于600nm的可见光和紫外光，通过Pt或RuO2或NiOx(0＜x＜1)的单一负载或Pt和RuO2的共同负载，具备了光催化活性，能在其吸收光谱范围内有效降解污染物和光解水制氢气和氧气，提高了太阳光能的利用范围和转化效率。
本发明是通过以下技术方案实现的。本发明是由Bi、M、V、O四种元素构成的一种化学式为BixM2-xV2O8的化合物，其中M＝Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm中的一种，0＜x＜2；Bi与M可以连续互相取代，(Bi+M)∶V∶O的原子比为1∶1∶4。本发明能吸收波长小于600nm的可见光和紫外光。通过负载Pt或RuO2或NiOx(0＜x＜1)助催化剂，使BixM2-xV2O8其中M＝Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm具备了光催化活性，能在其吸收光谱范围内有效降解污染物和光解水制氢气和氧气。
进一步的，本发明是由BiVO4和MVO4(M＝Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm；0＜x＜2)所形成的连续固溶体，其中M可以是Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm中任意一种，Bi和M可以连续互相取代，(Bi+M)∶V∶O的原子比为1∶1∶4。
本发明通过高温固相反应合成BixM2-xV2O8，方法如下：将含有Bi、M(M＝Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm)、V的氧化物或其盐类，按x∶(2-x)∶2(其中x为Bi的化学计量数，0＜x＜2)比例量取，加入少量的乙醇将固体粉末混合均匀，80℃下干燥12h，然后经高温固相反应合成目标物。固相反应的条件为：烧成温度为800-1000℃，固相反应时间为1小时以上。当烧成温度低于800℃时，固相反应难以进行；当烧成温度高于1000℃时，固体颗粒物烧结，比表面积明显下降，光催化活性降低。
其中所述含Bi化合物包括硝酸铋、三氧化二铋、碳酸铋；所述的含M(M＝Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm)化合物包括相应的氧化物、硝酸盐、碳酸盐；所述的含V的化合物是偏钒酸铵和五氧化二钒。
本发明催化剂通过负载Pt或RuO2或NiOx助催化剂，能在波长小于600nm的可见光和紫外光范围内实现水的光催化完全分解，生成氢气和氧气。助催化剂Pt或RuO2或NiOx为单一负载或Pt和RuO2的共同负载，助催化剂的负载量控制在以下范围：Pt：0.1-0.5wt％，RuO2：0.5-3.0wt％，NiOx：0.1-3.0wt％。
太阳所释放的能量一年中到达地球表面的总量是5.5×1026J，为现在全人类一年所消耗能量总和的一万倍。太阳能的低密度及其不稳定性不利于对它的直接利用。光催化分解水的技术可利用太阳能将水分解成氢气和氧气，从而将太阳能转化为化学能，便于储存、运输和利用。在使用氢气后，氢又变成水的形态，对环境不会造成污染。同时，水和阳光是取之不尽的物质，因此通过光催化分解水获得的氢气是一种完全的可持续开发和利用的能源。但光解水能否实用化最终将取决于太阳能转化为化学能的效率。迄今为止，人们所发现和研制用于光解水的光催化剂中大多数仅能在波长小于400nm的紫外线范围工作。而太阳光中紫外线的能量占总能量的4％左右，65％左右的能量都属于可见光范围。因此，本发明所提供的光催化剂可以吸收波长小于600nm的可见光和紫外光，并在可见光和紫外光范围内分解水同时生成氢气和氧气，从而提高了太阳能的转化效率，对解决未来的能源和环境问题具有积极的意义。另外，在环境净化方面，本发明所提供的能吸收可见光的光催化剂可广泛用于各种建筑物的室内外墙体等表面，能利用自然光有效地净化大气中的污染物，净化污水，提高环境质量，将带来极大的社会效益和经济效益。
具体实施例
结合本发明方法的内容提供以下实施例：
实施例1：
1.用Bi(NO3)3·5H2O作为铋源，取4.8507g，用Y2O3作为钇源，取1.1254g，用偏钒酸铵作为钒源，取2.3395g，放入玛瑙研钵，加入无水乙醇10mL作为分散剂，进行研磨，至无水乙醇完全挥发为止。
2.将上面得到固体样在真空干燥箱中80℃干燥12h，取去冷却后研磨10min，得到干燥的粉末固体样。
3.将粉末固体样放入体积为50mL的瓷坩埚中，然后将装样的瓷坩埚置于马弗炉中，以10℃/min的速度升温至800℃，保温12h。冷却后取出磨碎，再将装样的瓷坩埚置于马弗炉中以10℃/min的速度升温至900℃，保温12h。冷却后取出磨碎，获得目标物BiYV2O8。
4.称取2g BiYV2O8粉末浸渍于5ml氯铂酸(H2PtCl6)水溶液(0.00205mol/L)中，通过300w氙灯光照2h，形成Pt负载的BiYV2O8光催化剂，所负载的Pt的量为0.1wt％。
5.称取负载0.1wt％Pt的BiYV2O8催化剂0.4g，分散于150ml水中，置于材质为Pyrex玻璃的光催化反应器中，在300W氙灯下直接外部照射4小时，光催化反应产生的气体用带有热导检测仪的气相色谱仪作定量分析，BiYV2O8的产氢和产氧速率分别为126μmol/g·h和65.3μmol/g·h。上述光催化反应装置中用滤光片滤去420nm以下波长光波后，相同条件下产氢和产氧速率分别为12.3μmol/g·h和6.2μmol/g·h。上述光催化反应装置中用滤光片滤去510nm以下波长光波后，相同条件下产氢和产氧速率分别为3.2μmol/g·h和2μmol/g·h。
实施例2：
1.用Bi(NO3)3·5H2O作为铋源，取0.4851g，用Ce2O3作为铈源，取3.1182g，用偏钒酸铵作为钒源，取2.3395g，放入玛瑙研钵，加入无水乙醇10mL作为分散剂，进行研磨，至无水乙醇完全挥发为止。
2.将上面得到固体样在真空干燥箱中80℃干燥12h，取去冷却后研磨10min，得到干燥的粉末固体样。
3.将粉末固体样放入体积为50mL的瓷坩埚中，然后将装样的瓷坩埚置于马弗炉中，以10℃/min的速度升温至900℃，保温5h。冷却后取出磨碎，再将装样的瓷坩埚置于马弗炉中以10℃/min的速度升温至1000℃，保温10h。冷却后取出磨碎，获得目标物Bi0.1Ce1.9V2O8。
4.称取2g Bi0.1Ce1.9V2O8粉末浸渍于5ml氯铂酸(H2PtCl6)水溶液(0.01025mol/L)中，通过300w氙灯光照2h，形成Pt负载的Bi0.1Ce1.9V2O8光催化剂，所负载的Pt的量为0.5wt％。
5.称取负载0.5wt％Pt的Bi0.1Ce1.9V2O8催化剂0.4g，分散于150ml水中，置于材质为Pyrex玻璃的光催化反应器中，在300W氙灯下直接外部照射4小时，光催化反应产生的气体用带有热导检测仪的气相色谱仪作定量分析，BiYV2O8的产氢和产氧速率分别为44μmol/g·h和21.8μmol/g·h，上述光催化反应装置中用滤光片滤去420nm以下波长光波后，相同条件下产氢和产氧速率分别为6.3μmol/g·h和2.0μmol/g·h。
实施例3：
1.用Bi(NO3)3·5H2O作为铋源，取9.2169g，用La2O3作为镧源，取0.1629g，用偏钒酸铵作为钒源，取2.3395g，放入玛瑙研钵，加入无水乙醇10mL作为分散剂，进行研磨，至无水乙醇完全挥发为止。
2.将上面得到固体样在真空干燥箱中80℃干燥12h，取去冷却后研磨10min，得到干燥的粉末固体样。
3.将粉末固体样放入体积为50mL的瓷坩埚中，然后将装样的瓷坩埚置于马弗炉中，以10℃/min的速度升温至850℃，保温8h。冷却后取出磨碎，再将装样的瓷坩埚置于马弗炉中以10℃/min的速度升温至950℃，保温8h。冷却后取出磨碎，获得目标物Bi1.9La0.1V2O8。
4.称取2g Bi1.9La0.1V2O8粉末浸渍于5ml氯铂酸(H2PtCl6)水溶液(0.01025mol/L)中，通过加热蒸发、干燥和煅烧，形成Pt负载的Bi0.1Ce1.9V2O8光催化剂，所负载的Pt的量为0.5wt％。
5.称取负载0.5wt％Pt的Bi1.9La0.1V2O8催化剂0.4g，分散于150ml水中，置于材质为Pyrex玻璃的光催化反应器中，在300W氙灯下直接外部照射4小时，光催化反应产生的气体用带有热导检测仪的气相色谱仪作定量分析，BiYV2O8的产氢和产氧速率分别为67.5μmol/g·h和33.4μmol/g·h。上述光催化反应装置中用滤光片滤去420nm以下波长光波后，相同条件下产氢和产氧速率分别为2.8μmol/g·h和1.2μmol/g·h。
实施例4：
1.用Bi(NO3)3·5H2O作为铋源，取4.8507g，用Pr2O3作为镨源，取1.6491g，用偏钒酸铵作为钒源，取2.3395g，放入玛瑙研钵，加入无水乙醇10mL作为分散剂，进行研磨，至无水乙醇完全挥发为止。
2.将上面得到固体样在真空干燥箱中80℃干燥12h，取去冷却后研磨10min，得到干燥的粉末固体样。
3.将粉末固体样放入体积为50mL的瓷坩埚中，然后将装样的瓷坩埚置于马弗炉中，以10℃/min的速度升温至850℃，保温10h。冷却后取出磨碎，再将装样的瓷坩埚置于马弗炉中以10℃/min的速度升温至950℃，保温10h。冷却后取出磨碎，获得目标物BiPrV2O8。
4.称取2g BiPrV2O8粉末浸渍于5ml氯化钌(RuCl3)水溶液(0.09mol/L)中，通过加热蒸发、干燥和煅烧，，形成RuO2负载的Bi0.1Ce1.9V2O8光催化剂，所负载RuO2的量为3wt％。
5.称取负载3wt％RuO2的BiPrV2O8催化剂0.4g，分散于150ml水中，置于材质为Pyrex玻璃的光催化反应器中，在300W氙灯下直接外部照射4小时，光催化反应产生的气体用带有热导检测仪的气相色谱仪作定量分析，BiYV2O8的产氢和产氧速率分别为32.4μmol/g·h和14.6μmol/g·h。上述光催化反应装置中用滤光片滤去420nm以下波长光波后，相同条件下产氢和产氧速率分别为2.1μmol/g·h和1.2μmol/g·h。
实施例5：
1.用Bi(NO3)3·5H2O作为铋源，取4.8507g，用Nd(NO3)3·6H2O作为钕源，取4.3834g，用偏钒酸铵作为钒源，取2.3395g，放入玛瑙研钵，加入无水乙醇10mL作为分散剂，进行研磨，至无水乙醇完全挥发为止。
2.将上面得到固体样在真空干燥箱中80℃干燥12h，取去冷却后研磨10min，得到干燥的粉末固体样。
3.将粉末固体样放入体积为50mL的瓷坩埚中，然后将装样的瓷坩埚置于马弗炉中，以10℃/min的速度升温至800℃，保温12h。冷却后取出磨碎，再将装样的瓷坩埚置于马弗炉中以1℃/min的速度升温至900℃，保温12h。冷却后取出磨碎，获得目标物BiNdV2O8。
4.称取2g BiNdV2O8粉末浸渍于10ml氯化钌(RuCl3)水溶液(0.0075mol/L)中，通过加热蒸发、干燥和煅烧，，形成RuO2负载的BiNdV2O8光催化剂，所负载RuO2的量为0.5wt％。
5.称取负载0.5wt％RuO2的BiNdV2O8催化剂0.4g，分散于150ml水中，置于材质为Pyrex玻璃的光催化反应器中，在300W氙灯下直接外部照射4小时，光催化反应产生的气体用带有热导检测仪的气相色谱仪作定量分析，BiYV2O8的产氢和产氧速率分别为22.4μmol/g·h和10.5μmol/g·h。上述光催化反应装置中用滤光片滤去420nm以下波长光波后，相同条件下产氢和产氧速率分别为3.4μmol/g·h和1.4μmol/g·h。
实施例6：
1.用Bi2O3作为铋源，取2.3298g，用Sm2O3作为钐源，取1.7436g，用V2O5作为钒源，取1.8188g，放入玛瑙研钵，加入无水乙醇10mL作为分散剂，进行研磨，至无水乙醇完全挥发为止。
2.将上面得到固体样在真空干燥箱中80℃干燥12h，取去冷却后研磨10min，得到干燥的粉末固体样。
3.将粉末固体样放入体积为50mL的瓷坩埚中，然后将装样的瓷坩埚置于马弗炉中，以10℃/min的速度升温至850℃，保温12h。冷却后取出磨碎，再将装样的瓷坩埚置于马弗炉中以10℃/min的速度升温至950℃，保温12h。冷却后取出磨碎，获得目标物BiSmV2O8。
4.称取2g BiNdV2O8粉末浸渍于5ml硝酸镍(Ni(NO3)3)水溶液(0.00535mol/L)中，通过加热蒸发、干燥后，在H2气氛下500℃煅烧2h，然后在O2气氛下200℃煅烧1h，形成NiOx(x＜1)负载BiSmV2O8光催化剂，所负载NiOx的量为0.1wt％。
5.称取负载0.1wt％NiOx(x＜1)的BiNdV2O8催化剂0.4g，分散于150ml水中，置于材质为Pyrex玻璃的光催化反应器中，在300W氙灯下直接外部照射4小时，光催化反应产生的气体用带有热导检测仪的气相色谱仪作定量分析，BiYV2O8的产氢和产氧速率分别为25.6μmol/g·h和12.5μmol/g·h。上述光催化反应装置中用滤光片滤去420nm以下波长光波后，相同条件下产氢和产氧速率分别为6.1μmol/g·h和3.1μmol/g·h。
实施例7：
1.用Bi2O3作为铋源，取2.3298g，用Y2O3作为钇源，取1.1254g，用偏钒酸铵作为钒源，取2.3395g，放入玛瑙研钵，加入无水乙醇10mL作为分散剂，进行研磨，至无水乙醇完全挥发为止。
2.将上面得到固体样在真空干燥箱中80℃干燥12h，取去冷却后研磨10min，得到干燥的粉末固体样。
3.将粉末固体样放入体积为50mL的瓷坩埚中，然后将装样的瓷坩埚置于马弗炉中，以10℃/min的速度升温至900℃，保温6h。冷却后取出磨碎，再将装样的瓷坩埚置于马弗炉中以10℃/min的速度升温至1000℃，保温1h。冷却后取出磨碎，获得目标物BiYV2O8。
4.称取2g BiYV2O8粉末浸渍于10ml硝酸镍(Ni(NO3)3)水溶液(0.08025mol/L)中，通过加热蒸发、干在H2气氛下500℃煅烧2h，接着在O2气氛下200℃煅烧1h，形成NiOx(x＜1)负载BiSmV2O8光催化剂，所负载NiOx的量为3wt％。
5.称取负载3wt％NiOx(x＜1)的BiYV2O8催化剂0.4g，分散于150ml水中，置于材质为Pyrex玻璃的光催化反应器中，在300W氙灯下直接外部照射4小时，光催化反应产生的气体用带有热导检测仪的气相色谱仪作定量分析，BiYV2O8的产氢和产氧速率分别为89.4μmol/g·h和42.3μmol/g·h。上述光催化反应装置中用滤光片滤去420nm以下波长光波后，相同条件下产氢和产氧速率分别为8.9μmol/g·h和4.2μmol/g·h。
实施例8：
1.用Bi2O3作为铋源，取2.3298g，用Y2O3作为钇源，取1.1254g，用偏钒酸铵作为钒源，取2.3395g，放入玛瑙研钵，加入无水乙醇10mL作为分散剂，进行研磨，至无水乙醇完全挥发为止。
2.将上面得到固体样在真空干燥箱中80℃干燥12h，取去冷却后研磨10min，得到干燥的粉末固体样。
3.将粉末固体样放入体积为50mL的瓷坩埚中，然后将装样的瓷坩埚置于马弗炉中，以10℃/min的速度升温至900℃，保温12h。冷却后取出磨碎，再将装样的瓷坩埚置于马弗炉中以10℃/min的速度升温至1000℃，保温1h。冷却后取出磨碎，获得目标物BiYV2O8。
4.称取2g BiYV2O8粉末浸渍于5ml氯化钌(RuCl3)水溶液(0.045mol/L)中，通过加热蒸发、干燥和煅烧，形成RuO2负载的BiYV2O8光催化剂，所负载RuO2的量为1.5wt％。再将粉末浸渍于5ml氯铂酸(H2PtCl6)水溶液(0.01025mol/L)中，通过300w氙灯光照2h，形成Pt负载的BiYV2O8光催化剂，所负载的Pt的量为0.5wt％。
5.称取共负载1.5wt％RuO2和0.5wt％Pt的BiYV2O8催化剂0.4g，分散于150ml水中，置于材质为Pyrex玻璃的光催化反应器中，在300W氙灯下直接外部照射4小时，光催化反应产生的气体用带有热导检测仪的气相色谱仪作定量分析，BiYV2O8的产氢和产氧速率分别为79μmol/g·h和44.3μmol/g·h。上述光催化反应装置中用滤光片滤去420nm以下波长光波后，相同条件下产氢和产氧速率分别为5.6μmol/g·h和3.0μmol/g·h。

Claims (5)

1、一种能响应可见光的固溶体光催化剂，其特征在于，是由Bi、M、V、O四种元素构成的一种化学式为BixM2-xV2O8的化合物，其中M＝Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm中的一种，0＜x＜2，(Bi+M)∶V∶O的原子比为1∶1∶4。
2、根据权利要求1所述的能响应可见光的固溶体光催化剂，其特征是由BiVO4和MVO4所形成的固溶体，M＝Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm中的一种，(Bi+M)∶V∶O的原子比为1∶1∶4。
3、根据权利要求1或者2所述的能响应可见光的固溶体光催化剂，其特征是，Bi与M能连续互相取代，M＝Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm中的一种。
4、根据权利要求1所述的能响应可见光的固溶体光催化剂，其特征是，能吸收波长小于600nm的可见光和紫外光，通过负载助催化剂Pt或RuO2或NiOx，其中0＜x＜1，能在其吸收光谱范围内有效降解污染物和光解水制氢气和氧气。
5、根据权利要求4所述的能响应可见光的固溶体光催化剂，其特征是，助催化剂Pt或RuO2或NiOx为单一负载或Pt和RuO2的共同负载，助催化剂的负载量控制在以下范围：Pt：0.1-0.5wt％，RuO2：0.5-3.0wt％，NiOx：0.1-3.0wt％。
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