专利名称：一种可见光响应光催化剂及其制备方法
技术领域：
本发明涉及治理环境污染用的光催化材料及制备，也涉及低温燃烧合成技术。
背景技术：
随着工业的发展和人民生活水平的提高，环境污染问题已提到非常重要的议事日程，开发高效、节能、无二次污染的环境治理、环境保护新技术尤其受到人们的关注。在各类新技术中，光催化技术是21世纪最有前途的环境友好清洁新技术之一，它是利用光催化剂吸收光的能量分解有机物或分解水的过程。其机理是半导体价带中的电子受光激发跃迁到导带，在导带中形成光生电子，在价带中留下光生空穴。这些非平衡态的电子和空穴有极强的还原和氧化能力。当它们扩散到光催化剂的表面时候，可将污染物氧化还原成无害的小分子，或将水分解为H2和O2。由于光催化可利用自然光(例如太阳光)长期工作，具有低成本、无毒害的优点，对于从根本上解决环境污染和能源短缺问题具有不可低估的意义。
实用的光催化材料需有较强的吸光能力，以及较长时间的非平衡态电子、空穴寿命和较高的电子、空穴迁移率。如何找到合适的光催化材料一直是科技人员关注的研究课题。近30年来的相关研究主要围绕着以TiO2为基础的系列宽禁带半导体。然而由于TiO2的禁带过宽，致使TiO2只能吸收紫外波段的光。从太阳能的利用来看，紫外线(400nm以下)仅占太阳光总能量的4％左右，而波长为400-750nm的可见光则占到近43％。因此，为了有效地利用太阳能，同时满足室内无紫外线环境光催化净化的需求，寻找可见光响应的光催化剂势在必行。
发明内容
本发明目的在于，提供一种在可见光条件下具有光降解有机污染物性能的光催化剂YMO3(M＝In，Al)及其制备方法。
本发明的可见光响应光催化剂，其特征在于，它是化合物YMO3，其中M为In或Al，YAlO3的结构为钙钛矿型，YInO3是具有立方相的(Y0.5In0.5)2O3，即其结构为立方相，结构式为(Y0.5In0.5)2O3。该光催化剂可以由以下方法制备由硝酸钇与硝酸铟或硝酸铝为氧化剂、有机羧酸氨基乙酸为燃料、在去离子水或蒸馏水溶液中经300～400℃低温燃烧产生氧化还原反应得到纳米级粉体化合物，再经1000～1200℃环境中焙烧1～12小时得到的YInO3或YAlO3，其中硝酸钇与硝酸铟或硝酸铝摩尔比为1∶1，硝酸铟或硝酸铝与氨基乙酸摩尔比为3∶10，加水量按照硝酸钇溶液浓度为0.1～0.2摩尔/升计算，其化学反应式为3Y(NO3)3+3M(NO3)3+10C2H5NO2＝3YMO3+14N2↑+25H2O↑+20CO2↑。
本发明的制备上述可见光响应光催化剂YMO3(M＝In，Al)的方法，包括配料、混合及低温燃烧合成，其特征在于，具体步骤为1)将硝酸钇(Y(NO3)3)、硝酸铟(In(NO3)3)或者硝酸铝(Al(NO3)3)、有机燃料氨基乙酸(NH2CH2COOH)和去离子水或蒸馏水水混合配成溶液，并将配好后的溶液经搅拌使其均匀混合，后于室温下静置12～24小时，其中硝酸钇与硝酸铟或硝酸铝的摩尔比为1∶1，硝酸铟或硝酸铝与氨基乙酸摩尔比为3∶10，加水量按照硝酸钇溶液浓度为0.1～0.2摩尔/升计算；2)将上述溶液缓慢升温到300～400℃，例如先将溶液置于150～200℃下恒温20～60分钟，再以2～4℃/分钟的速率缓慢升温到300～400℃，使溶液中的有机燃料燃烧并发生合成反应，得到蓬松的纳米YMO3(M＝In，Al)粉体，其化学反应式为3Y(NO3)3+3M(NO3)3+10C2H5NO2＝3YMO3+14N2↑+25H2O↑+20CO2↑；3)将上述纳米粉体在1000～1200℃下焙烧1～12小时，得成品YInO3或YAlO3。
本发明的可见光响应光催化剂YMO3(M＝In，Al)，产品杂质含量低，结构稳定。测试结果表明，该催化剂YMO3在可见光波段中具有较强的吸光能力，以及较长时间的非平衡态电子、空穴寿命和较高的电子、空穴迁移率，能够吸收太阳光中的可见光部分，并且在可见光照射下具有稳定的光催化活性，能够满足室内无紫外线环境时光催化净化的需求。
本发明的制备方法基于氧化还原反应原理，以硝酸盐为氧化剂，有机羧酸为燃料，配料提供了燃烧所需的氧化剂，保证后续燃烧反应中有机燃料的需氧量和硝酸盐提供的氧含量平衡，使反应能够迅速蔓延并充分进行，直至燃料耗尽。本制备方法具有以下优点1.反应在溶液中进行，可以达到分子水平的均匀混合，合成温度低；2.制备工艺简单，所需时间短，费用低。
3.不需要长时间研磨，产品中杂质含量低，从而保证了稳定的光催化活性。
图1是本发明实施例1和实施例2所制备的YInO3和YAlO3在其进行光催化活性反应前后的XRD测试曲线。
图2是对本发明实施例1和实施例2所制备的YInO3和YAlO3进行光催化活性测试的结果。
具体实施例方式
实施例1(1)称取2.75克Y(NO3)3、3.819克 2.5克有机燃料C2H5NO2，放入100毫升烧杯中，加入50毫升去离子水，搅拌30分钟使其均匀混合后，将溶液于室温下静置24小时；(2)取上述溶液约20毫升置于100毫升烧杯中，将烧杯置于200℃下恒温30分钟；(3)然后按3℃/分钟速率缓慢升温至300℃使容器内的溶液充分燃烧，得到蓬松的YInO3粉体；(4)将上述燃烧粉末置于1100℃下焙烧10小时，得成品YInO3。
对该成品进行X射线衍射(简称XRD)测试，其结果示于图1。图1中光催化反应前的YInO3曲线表明该合成样品为立方相的(Y0.5In0.5)2O3。
实施例2(1)称取2.75克Y(NO3)3、3.751克Al(NO3)3·9H2O、2.5克有机燃料C2H5NO2，放入100毫升烧杯中，加入50毫升去离子水，搅拌30分钟后，将溶液于室温下静置24小时；(2)取上述溶液约20毫升置于100毫升烧杯中，将烧杯置于200℃下恒温30分钟；(3)然后按3℃/分钟速率缓慢升温至300℃使容器内的溶液充分燃烧，得到蓬松的YAlO3粉体；(4)将上述燃烧粉末置于1100℃下焙烧10小时，得成品YAlO3。
图1中反应前的YAlO3曲线为该合成样品的X射线衍射图，表明该合成样品为纯相钙钛矿型YAlO3。
图2为YInO3和YAlO3的光催化活性结果。测试实验采用150W卤钨灯为可见光光源，催化剂用量为0.45克，亚甲基蓝溶液浓度为23.9微摩尔/升，体积为150毫升。为了除去卤钨灯中的紫外光和热效应，在灯管外加一带回流水的双层耐高温玻璃套管。每隔一段时间抽取5毫升左右的反应静置液，采用分光光度计测定溶液的吸光度，根据亚甲基蓝的褪色速率来衡量催化剂的活性。结果表明，YInO3体系用了大约110分钟将亚甲基蓝完全降解，YAlO3体系光降解亚甲基蓝时间约为90分钟。反应结束后加入亚甲基蓝做第二次光催化活性表征，YInO3和YAlO3体系仍然只用了约110分钟和90分钟就将亚甲基蓝完全降解，表明所合成催化剂在可见光照射下具有稳定的光催化活性。
图1同时列出了光催化反应后光催化剂的XRD结果，可以看出YInO3和YAlO3在反应前后的晶体结构没有发生改变，这表明该催化剂结构稳定。
实施例3(1)称取5.50克Y(NO3)3、7.638克 5.0克有机燃料C2H5NO2，放入250毫升烧杯中，加入100毫升去离子水，搅拌60分钟后，将溶液于室温下静置12小时；(2)取上述溶液约30毫升置于100毫升烧杯中，将烧杯置于150℃下恒温60分钟；(3)然后按4℃/分钟速率缓慢升温至350℃使容器内的溶液充分燃烧，得到蓬松的YInO3粉体，将该粉末置于1020℃下焙烧12小时，得成品YInO3。
实施例4(1)称取5.50克Y(NO3)3、7.502克Al(NO3)3·9H2O、5.0克有机燃料C2H5NO2，放入250毫升烧杯中，加入100毫升蒸馏水，搅拌60分钟使其充分混合，然后将溶液于室温下静置18小时；(2)取上述溶液约30毫升置于100毫升烧杯中，将烧杯置于150℃下恒温60分钟；(3)然后按4℃/分钟速率缓慢升温至400℃使容器内的溶液充分燃烧，得到蓬松的YAlO3粉体，将该粉末置于1200℃下焙烧2小时，得成品YAlO3。
权利要求
1.一种可见光响应光催化剂，其特征在于，它是化合物YMO3，其中M为In或Al，YAlO3的结构为钙钛矿型，YInO3是具有立方相的(Y0.5In0.5)2O3。
2.制备如权利要求1所述的可见光响应光催化剂YMO3的方法，包括配料、混合及低温燃烧合成，其特征在于，具体步骤为1)将硝酸钇、硝酸铟或者硝酸铝、有机燃料氨基乙酸和去离子水或蒸馏水混合配成溶液，并将配好后的溶液经搅拌使其均匀混合，后于室温下静置12～24小时，其中硝酸钇与硝酸铟或硝酸铝摩尔比为1∶1，硝酸铟或硝酸铝与氨基乙酸摩尔比为3∶10，加水量按照硝酸钇溶液浓度为0.1～0.2摩尔/升计算；2)将上述溶液缓慢升温到300～400℃，使溶液中的有机燃料燃烧并发生合成反应，得到纳米YMO3粉体，其化学反应式为3Y(NO3)3+3M(NO3)3+10C2H5NO2＝3YMO3+14N2↑+25H2O↑+20CO2↑；3)将上述纳米粉体在1000～1200℃下焙烧1～12小时，得成品YInO3或YAlO3。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述缓慢升温到300～400℃，是先将溶液置于150～200℃下恒温20～60分钟，再以2～4℃/分钟的速率缓慢升温到300～400℃。
全文摘要
本发明涉及治理环境污染用的光催化材料及制备，也涉及低温燃烧合成技术。该光催化剂是化合物YMO
文档编号B01J23/08GK1970142SQ20061009758
公开日2007年5月30日 申请日期2006年11月8日 优先权日2006年11月8日
发明者高琛, 鲍骏, 丁建军 申请人:中国科学技术大学