一种锑酸锶光催化剂及其制备和应用的制作方法

本发明属于环境污染治理技术领域，具体涉及一种锑酸锶光催化剂及其制备和应用。

背景技术：

光催化氧化-还原技术在环境保护、洁净能源和新材料等方面有广泛的应用背景。然而，以二氧化钛半导体为代表的光催化剂存在着量子效率低（~4%）和太阳能利用率低等几个关键的科学及技术难题，使其工业应用受到极大制约。为改善光催化剂和光催化过程的效率，国内外对TiO₂光催化剂提高量子效率的改性研究大多集中在过渡金属离子掺杂、贵金属表面沉积、复合半导体等方面；对光催化过程进行了附加各种外场，如低频电场、微波场、等离子体等以增强光催化剂的光吸收率、光生载流子分离效率的探索性研究；也有一些非TiO₂系列光催化剂的研究工作；对于特定的反应其光催化量子效率也有所改善，但结果仍然不尽人意。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有光催化技术效率低的问题，提供一种锑酸锶光催化剂及其制备和应用。该催化剂具有高转化率、高量子效率和活性稳定性的特点，对环境污染物具有极高降解效率和矿化率。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种锑酸锶光催化剂的制备方法，包括以下步骤：

1）将锑酸盐水溶液缓慢滴入锶盐水溶液中，得白色悬浊液，加水稀释后（水与白色悬浊液体积比1:1），剧烈搅拌12h-14h后，调节溶液pH至1-14：调节pH值所用的酸碱为浓盐酸和0.1-2 mol•L^-1 KOH溶液；

2）将步骤1）的溶液放入水热釜中，在50-230℃水热反应1-12h，得到沉淀；

3）将沉淀去离子水洗涤、烘干，制得锑酸锶光催化剂。

步骤1）所述的锑酸盐包括焦锑酸钾，锑酸盐水溶液的浓度为0.01-0.25 mol•L^-1；所述的锶盐包括氯化锶，锶盐水溶液的浓度为0.02-0.325 mol•L^-1。

步骤1）中，优选的，调节溶液pH至8。

步骤2）中，优选的，在180℃水热反应8小时。

步骤3）中，烘干温度为50-100 ℃。

步骤3）所制得的锑酸锶光催化剂，其分子式为：H_xSr_ySbO₃O’_z，其中0≤x，0＜y≤1，0≤z≤0.5；比表面积为50-250 m²/g，晶粒大小为2-56 nm。

一种如上所述的制备方法制得的锑酸锶光催化剂的应用：在紫外光照射下，用于催化降解废水和废气中的有机污染物；以及用于光解水。

所述的紫外光为自然光源或人造光源，所述的人造光源的波长为200~800nm，人造光源包括各种形式的热辐射光源、气体放电光源和激光光源。

本发明催化剂的应用机理为：在O₂气氛中，使紫外线光作用于光催化体系，可达到高效分解废水和废气中有机污染物，对于难降解的苯类有机污染物有很好的效果。在光催化过程中，光催化剂表面在给定温度下能形成氧化性能极强的羟基自由基、氧自由基和超氧自由基等，加速了污染物的分解，并使光催化剂在光催化过程不易积聚中间产物而具有较高的矿化率。

本发明的有益效果在于：

1）本发明的所制得的光催化剂具有高转化率、高量子效率和活性稳定性的特点，对环境污染物具有极高降解效率；并且光催化剂在使用过程中不易积聚中间产物而具有较高的矿化率；

2）本发明光催化剂的制备方法简单，易于推广，具有显著的经济效益。

附图说明

图1（a）为用于空气中污染物消除的光催化反应装置结构示意图；

图1（b）为用于溶液中污染物消除的光催化反应装置结构示意图；

图1（c）为用于光解水的光催化反应装置结构示意图；

图2用苯浓度的变化来表示锑酸锶光催化剂与P25光催化剂的活性对比；

图3表示不同体积空速下锑酸锶光催化剂与P25光催化剂的活性对比图；

图4用罗丹明B的浓度变化来表示锑酸锶光催化剂与P25光催化剂的活性对比；

图5用氢气的体积变化来表示锑酸锶光催化剂与P25光催化剂的活性对比；图2-图5中的SSO是锑酸锶的简称。

具体实施方式

为进一步公开而不是限制本发明，以下结合实例对本发明作进一步的详细说明。

如图1（a）-图1（c）所示，将带有光催化剂及需处理的污染物的反应体系置于紫外线光的辐照下，构成光催化反应体系。所述的紫外光(254–400 nm)的人造光源，人造光源包括各种形式的热辐射光源、气体放电光源和激光源。

实施例1

一种锑酸锶光催化剂的制备方法，包括以下步骤：

将焦锑酸钾溶于沸水配制成溶液，命名为溶液A，其浓度为0.1 mol•L^-1；将氯化锶溶于去离子水，配置成溶液，命名为溶液B，其浓度为0.125 mol•L^-1；取溶液A 25 mL，缓慢滴入10 mL溶液B中；滴加完毕后，加入35mL水进行稀释；将此悬浊液在室温下搅拌12小时后，调节溶液的pH值为8；将悬浊液移入100 mL反应釜中180℃水热8小时，使样品充分的晶化；将冷却后的样品离心洗涤，80℃烘干；将烘干之后的样品压片过筛50-70目，获得锑酸锶光催化剂，该光催化剂的比表面积为50-250 m²/g，晶粒大小为2-56 nm。

如图1（a）所示，将本发明应用于气体污染物的治理时，可以将光催化剂装入对波长为200~800 nm的光波透明或部分透明的反应容器内，该容器带有入口和出口，光源可以内置和外置的两种形式照射污染物。

将本发明应用于对溶液污染物的治理时，如图1（b）所示，把光催化剂分散或悬浮于该污染物溶液中，将带有光催化剂的污染物溶液，装入对波长为200~800 nm的光波透明或部分透明或不透明的反应容器内，该容器设有一个开口，光源可以内置或外置的形式照射污染物溶液。

本发明的光催化剂的可以是体材料、纳米材料、薄膜材料，也可以是负载在其他金属或非金属基材上形成的复合材料。

应用实施例1

锑酸锶光催化剂对光催化降解苯的影响

将实施例1制得的锑酸锶催化剂和P25催化剂分别装入微型的、可常压连续反应的两根石英管中，保证两种催化剂的受光面积相同。两根石英管均放置于4盏紫外灯的照射下，紫外灯的发射波长254nm，光强0.391 mW·cm^-2，向两根石英管中均通入反应气，反应气由氧气和难降解的有毒有机污染物苯组成，其中苯的体积浓度为310 ppm。反应的气体流速20 ml/min，反应温度40℃，反应产物和浓度由气相色谱（HP6890，Porapak R色谱柱）每隔一段时间在线分析。

由图2可知，P25光催化剂对苯有微弱光催化活性，反应20小时后，光催化剂由原来的白色变为褐色，有明显的积炭物种生成。而相同条件下，锑酸锶光催化剂对苯表现出优异的光催化活性和稳定性，反应1 小时后，光催化剂对苯的降解活性进入稳态，苯的浓度小于1 ppm，二氧化碳的生成量为1200 ppm（矿化率为76 ％），随着反应时间延长至20小时，该光催化剂对苯的降解无明显失活，表明铂化二氧化钛光催化剂具有较好的活性稳定性。

本应用实施例说明锑酸锶光催化剂的具有较好的光催化活性和稳定性。

应用实施例2

空速对锑酸锶光催化剂催化降解苯的影响

采用应用实施例1的反应体系，考察在不同空速下，锑酸锶催化剂光催化降解苯的能力。通过调整催化剂在石英管中的填装量可以调整空速，其他条件与应用实施例1相同。

由图3可知，在3000 h^-1体积空速下，锑酸锶对于苯的转化率达到100 %；P25在相同体积空速下，转化率仅有10 %；当反应的空速达到 7900 h^-1体积空速时，催化剂对苯的转化率为40 %，20 小时后并不表现为明显的失活。

该应用实施例说明在高的体积空速下，催化剂对苯仍然有很好的转化率和稳定性。

应用实施例3

锑酸锶光催化剂降解液相罗丹明B

将0.1g锑酸锶催化剂和P25催化剂粉末分别装入石英管反应器，加入150 mL 10 μmol•L^-1罗丹明B水溶液，遮光，强烈搅拌1 h。两个石英管反应器均放置于4盏紫外灯的照射下，紫外灯的发射波长254nm，光强0.521 mW·cm^-2，每隔一段时间取2-4 mL悬浊液，离心之后测试吸光度，用于表示罗丹明B的浓度。由图4可知，锑酸锶在8分钟时完全降解罗丹明B，而P25需要的时间大于12分钟。

该应用实施例说明在锑酸锶在液相中降解有机污染物也有很好的效果。

应用实施例4

锑酸锶光催化剂产氢实验

将0.1 g锑酸锶催化剂和P25催化剂粉末分别装入石英反应器，加入160 mL水和10 mL甲醇，强烈搅拌。连接好气路，抽真空，10 min后充入Ar气，再抽真空，反复3次，最后将反应体系中充满Ar气，压力约为1个大气压；1 h后，打开内置于其中的高压汞灯，之后每隔1小时，用色谱分析氢气的产量。

由图5可知，锑酸锶的产氢性能好于P25。该应用实施例说明在锑酸锶在甲醇作牺牲剂的条件下有较好的产氢性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。