一種層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑的制備方法與流程
本發明屬于半導體光催化制氫技術領域，涉及一種層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑的制備方法。
背景技術：
21世紀以來，隨著工業的快速發展，化石燃料如煤、石油、天然氣等不可再生化石燃料的大量使用及燃燒氣體副產物過量排放如CO2、SOx和NOx等，使得能源危機和環境污染成為當今人類社會所面臨的主要生存問題。因此開發可循環使用的清潔可再生能源是當今社會亟待解決的關鍵問題。氫能由于具有高的燃燒熱(140·MJ Kg-1)，燃燒后的產物是水，對環境沒有污染，作為一種極具發展潛力的理想清潔能源而廣受關注。因此利用太陽能，光催化分解水制氫技術已然成為氫能轉換利用領域的研究重點之一。
近年來基于以TiO2等寬帶半導體為代表的光催化劑制氫技術得到了極大的發展。但是由于寬帶半導體光催化劑只能吸收紫外光，而紫外光能量只占太陽光總能量的4％，以及嚴重的光生電子和空穴復合率，因此導致其量子效率低，極大地限制了其工業應用。為了克服上述缺點，科學家們不斷探索合成各式新型光催化劑，以提高光催化效率。Domen等發現了適量負載NiO隧道結構或層狀結構的鈦酸鹽有較好的光催化性能，因這種結構的特殊性而產生偶極矩促進了光生載流子的分離效率，進而提高光催化性能。Kudo等人以碳酸鈉和氧化鉭以及不同的鑭系氧化物為原料在高溫煅燒下合成NaTaO3，通過進一步負載助催化劑NiO，顯著增強紫外光分解水產氫性能。李燦院士等開發了新型催化劑Zn2GeO4，發現三元體系光解水效率比沉積貴金屬或沉積金屬氧化物的二元體系要高得多。
然而，上述光催化劑的合成方法較為繁瑣不利于大規模生產制備，因此開發具備高光催化活性新型光催化劑以及其簡單制備方法顯得尤為重要。
技術實現要素：
為解決上述問題，本發明采用了如下技術方案：
本發明提供一種層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟一，按Ta/Sr的摩爾比例為1:1～1:1.4稱取Ta2O5固體粉末與SrCO3固體粉末混合，再研磨均勻，得到混合前驅體粉末；步驟二，稱取由NaCl和KCl構成的混合鹽，與前驅體粉末混合研磨均勻得到混合物，混合鹽與前驅體粉末的質量比為1:1～1:0.1；步驟三，采用高溫馬弗爐將混合物以750℃～850℃煅燒2h～24h，反應結束后自然冷卻至室溫，得到再結晶鹽與鍶鉭基氧化物混合物；步驟四，采用去離子水充分洗滌再結晶鹽與鍶鉭基氧化物混合物，采用干燥箱將洗滌后的再結晶鹽與鍶鉭基氧化物混合物置于60℃下干燥2h～24h，再進行研磨，獲得層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑的樣品粉末。
本發明提供的層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑的制備方法，還可以具有這樣的特征：其中，步驟一中，按Ta/Sr的摩爾比例為1:1稱取Ta2O5固體粉末與SrCO3固體粉末，使得步驟四中所獲得的層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑的樣品粉末成分為Sr2Ta2O7。
本發明提供的層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑的制備方法，還可以具有這樣的特征：其中，步驟一中，按Ta/Sr的摩爾比例為1:1.4稱取Ta2O5固體粉末與SrCO3固體粉末，使得步驟四中所獲得的層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑的樣品粉末成分為Sr5Ta4O15。
本發明提供的層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑的制備方法，還可以具有這樣的特征：其中，步驟一中，Ta2O5固體粉末與SrCO3固體粉末的Ta/Sr的摩爾比例大于1:1且小于1:1.4，使得步驟四中所獲得的層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑的樣品粉末成分為Sr2Ta2O7與Sr5Ta4O15混合物。
本發明提供的層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑的制備方法，還可以具有這樣的特征：其中，步驟二中的混合鹽與前驅體粉末的質量比為1:0.5。
本發明提供的層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑的制備方法，還可以具有這樣的特征：其中，步驟二中的混合鹽中，NaCl占混合鹽總質量的45％，KCl占混合鹽總質量的55％。
本發明提供的層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑的制備方法，還可以具有這樣的特征：其中，步驟三中，高溫馬弗爐將混合物以850℃煅燒4h。
發明作用與效果
根據本發明提供的層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑的制備方法，制備得到的Sr2Ta2O7與Sr5Ta4O15光催化劑材料均為純相，分別呈現規則層狀形貌，提供了光催化反應的活性位點，而且，制得的Sr2Ta2O7與Sr5Ta4O15純相光催化劑材料的分解水性能均比傳統光催化劑優異；由于采用了步驟二和步驟三的熔鹽法制備工藝，該工藝簡單，反應條件溫和環保，合成成本低，有利于實現規模化生產。
附圖說明
圖1是本發明實施例的層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑的制備方法制得的Sr2Ta2O7與Sr5Ta4O15光催化劑X射線衍射圖；
圖2(a)是本發明實施例的層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑的制備方法制得的Sr2Ta2O7光催化劑的掃描電鏡圖；
圖2(b)是本發明實施例的層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑的制備方法制得的Sr5Ta4O15光催化劑的掃描電鏡圖；
圖3是本發明實施例的層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑的制備方法制得的Sr2Ta2O7與Sr5Ta4O15光催化劑的光催化分解水性能測試結果示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖及實施例來說明本發明的具體實施方式。
<實施例1>
本實施例的一種層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑的制備方法，包括如下步驟：
步驟一，分別稱取0.5mmol(0.2209g)Ta2O5固體粉末與1mmol(0.1476g)SrCO3固體粉末混合，再研磨均勻，得到混合前驅體粉末。
步驟二，稱取由NaCl和KCl構成的混合鹽，其總質量為上述混合前驅體粉末的兩倍，與前驅體粉末混合研磨均勻得到混合物。
步驟三，采用高溫馬弗爐將混合物以850℃煅燒4h，反應結束后自然冷卻至室溫，得到再結晶鹽與鍶鉭基氧化物混合物。
步驟四，采用去離子水充分洗滌再結晶鹽與鍶鉭基氧化物混合物，采用干燥箱將洗滌后的再結晶鹽與鍶鉭基氧化物混合物置于60℃下干燥12h，再進行研磨，獲得層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑的樣品粉末。
圖1是本發明實施例的層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑的制備方法制得的Sr2Ta2O7與Sr5Ta4O15光催化劑X射線衍射圖。
如圖1所示，通過X射線衍射本實施例方法制得的層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑的樣品粉末，與標準PDF卡片對比，發現各個峰形位置都能匹配沒有其他的峰形成，說明得到了Sr2Ta2O7純相。
圖2(a)是本發明實施例的層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑的制備方法制得的Sr2Ta2O7光催化劑的掃描電鏡圖。
如圖2(a)所示，通過電鏡掃描，測得本實施例方法制得的層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑純相Sr2Ta2O7呈現規則層狀形貌，提供了光催化反應的活性位點。
圖3是本發明實施例的層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑的制備方法制得的Sr2Ta2O7與Sr5Ta4O15光催化劑的光催化分解水性能測試結果示意圖。
如圖3所示，分別稱取40mg本發明實施例的層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑的制備方法制得的Sr2Ta2O7純相的光催化劑和傳統光催化劑TiO2與含3ml甲醇的30ml去離子水混合得到混合液，在500W中壓汞燈照射1h后，測得Sr2Ta2O7純相的光催化劑催化生成10umolH2，而TiO2光催化劑基本沒有催化生成H2；混合液在500W中壓汞燈照射5h后，測得Sr2Ta2O7光催化劑催化生成90umolH2，而TiO2光催化劑催化生成H2只有5umol，說明本發明實施例的層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑的制備方法制得的Sr2Ta2O7光催化劑催化分解水性能大大優異于傳統光催化劑TiO2。<實施例2>
在本實施例2中，對于和實施例1中相同的步驟，給予相同的符號并省略相同的說明。
本實施例中步驟一中稱取1.4mmol(0.2066g)SrCO3固體粉末，Ta2O5固體粉末與實施例1完全相同，其余實施步驟和條件與實施例1相同。
如圖1所示，通過X射線衍射本實施例方法制得的層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑的樣品粉末，與標準PDF卡片對比，發現各個峰形位置都能匹配沒有其他的峰形成，說明得到了Sr5Ta4O15純相。
圖2(b)是本發明實施例的層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑的制備方法制得的Sr5Ta4O15光催化劑的掃描電鏡圖。
如圖2(b)所示，通過電鏡掃描，測得本實施例方法制得的層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑純相Sr5Ta4O15呈現規則層狀形貌，提供了光催化反應的活性位點。
如圖3所示，分別稱取40mg本發明實施例的層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑的制備方法制得的Sr5Ta4O15純相的光催化劑和傳統光催化劑TiO2與含3ml甲醇的30ml去離子水混合得到混合液，在500W中壓汞燈照射1h后，測得Sr5Ta4O15純相的光催化劑催化生成3umolH2，而TiO2光催化劑基本沒有催化生成H2；混合液在500W中壓汞燈照射5h后，測得Sr5Ta4O15光催化劑催化生成15umolH2，而TiO2光催化劑催化生成H2只有5umol，說明本發明實施例的層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑的制備方法制得的Sr2Ta2O7光催化劑催化分解水性能也優于傳統光催化劑TiO2。
實施例作用與效果
根據本發明提供的層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑的制備方法，制備得到的Sr2Ta2O7與Sr5Ta4O15光催化劑材料均為純相，分別呈現規則層狀形貌，提供了光催化反應的活性位點，大幅度提高光催化分解制氫性能，而且，制得的Sr2Ta2O7與Sr5Ta4O15純相光催化劑材料的分解水性能均比傳統光催化劑優異；由于采用了步驟二和步驟三的熔鹽法制備工藝，該工藝簡單，反應條件溫和環保，合成成本低，有利于實現規模化生產。
根據實施例1及實施例2的結果可知，Ta2O5固體粉末與SrCO3固體粉末的Ta/Sr的摩爾比例控制在1:1即可制得純相的Sr2Ta2O7光催化劑，Ta2O5固體粉末與SrCO3固體粉末的Ta/Sr的摩爾比例控制在1:1.4即可制得純相的Sr5Ta4O15光催化劑，因此只要控制Ta2O5固體粉末與SrCO3固體粉末的Ta/Sr的摩爾比例即可控制產物的構成，得到不同成分的層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑。
其中，實施例1中制得的層狀鈣鈦礦型鍶鉭基三元氧化物光催化劑Sr2Ta2O7比實施例2中制得的光催化劑Sr5Ta4O15形狀更規則，而且分解水性能也更優異，說明Sr2Ta2O7的催化性能比Sr5Ta4O15更加優秀，采用Ta2O5固體粉末與SrCO3固體粉末的Ta/Sr的摩爾比例1:1所得到的Sr2Ta2O7催化性能最好，該Ta/Sr的摩爾比例1:1的摩爾比為最佳摩爾比。
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！