-沸石复合多孔纳米催化材料的制备及应用

文档序号:8328840阅读:396来源:国知局
-沸石复合多孔纳米催化材料的制备及应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及两种新型光催化剂及一种新型光电极、制备及应用,尤其粉末催化材 料VxNdxNbO7 (0. 5彡X彡I)、Y3_xNdxNb07 (0. 5彡X彡1)-沸石复合多孔纳米催化材料及 Y3_xNdxNb07(0. 5 < X < 1)/氢桥混配物复合修饰光电极,制备工艺,经光催化去除水体中的 有机污染物的应用,及光催化分解水制取氢气的应用。
【背景技术】
[0002] 近些年来,随着经济的发展,印染废水、农药、化工制药等大量排入河流、湖泊等水 域,由此引发的有毒有机污染物污染环境问题已成为国际上十关注的重大问题。目前,人们 普遍用生化法处理来处理有机废水。但对于有毒有机污染物污染的水体,传统的方法对其 几乎没有去除效果,因为水中的亚甲基兰、磺胺甲恶唑、微囊藻毒素、毒死蜱和甲基对硫磷 等难降解污染物会抑制生物活性,破坏生化处理系统的稳定性。对于以上用常规方法很难 去除的污染物,国际上最受关注的、应用潜力最大的是光照射下的光催化技术(常采用的 光催化剂为TiO 2半导体)。近年来全球规模的能源、环境问题越来越突出。化石燃料的大 量燃烧所产生的二氧化碳、氮氧化合物、硫氧化合物已经造成了严重的环境污染问题,而同 时化石资源的枯竭也导致了能源危机,为了缓解环境污染问题及应对能源危机,氢气作为 洁净能源引起世界关注。但是,目前氢能的生产还主要是依靠煤、天然气的重整来获得,这 必然会加剧非可再生能源的消耗并且带来环境污染问题。而利用光催化的水分解则是直接 将光能转化为氢能,是从根本上解决能源及环境污染问题的理想途径之一,被称为"21世 纪梦的技术",受到了国内外科学家的高度关注。
[0003] 目前光催化领域存在的两个艰难挑战是如何实现可见光响应和光量子效率提高 问题。催化剂的开发有2种实现方法:第一种是掺杂阴离子或阳离子以改变TiO 2性质,开发 带隙接近理想催化剂带隙的新种类半导体。第二种是开发新种类的催化剂。二氧化钛是最 常用的,因为他的化学性质稳定,而且无毒无害,价格低廉;缺点是二氧化钛的禁带太宽,导 致可见光激发其价带电子跃迁困难,虽然通过掺杂可以达到可见光响应,但是效率比较低。 此外,110 2光生电子和空穴复合几率很高,导致其光催化效率较低。因此,研究者也开始开 发新种类的催化剂,并取得了一系列显著成果=CaBi 2O4是降解乙醛和亚甲基蓝效果很好; 用Pt贵金属修饰的BiOCl介孔纳米结构能够抑制二次污染物甲醛的产生;具有介孔结构的 CeO2-Bi2O3复合纳米光催化剂能够有效降解染料中的罗丹明B ;李灿课题组制备了尖晶石 结构化合物ZnIn2S4,该材料能吸收可见光并分解Na2S-Na2S03水溶液放出氢气;Domen课 题组开发的631-12]^01-1版材料,通过担载助催化剂1?11 2_!£0!£03在42〇111]1处获得59(%的量 子效率,这充分显示了太阳能光催化制氢令人瞩目的发展潜力。
[0004] 多元氧化物是一类具有丰富组成和结构的新型窄带隙光催化材料,有较大的研究 和发展价值,化合物AxB yOj^是近年来研究的热点之一。A xBy07是一种开放式结构,可以通 过其他离子的掺杂,为氧原子、质子或电子的迁移提供空穴,或增大空穴浓度,从而为开发 出可见光响应型催化剂提供了一个可能。经前人研究,用金属例子掺杂的该类光催化剂具 有潜在的降解污染物和光解水制氢能力。
[0005] 目前普遍采用固相法对AxByO7系列的结构材料进行合成,即将金属氧化物作为原 材料,经高温煅烧而成。但是由于固相合成反应温度高、时间长、生成的粉末不均匀,因此 逐步被水热法、溶胶凝胶法所取代。然而上述方法所得的A xByCMt体存在分散性、粒度分布 性能较差问题,这极大地影响了该类材料的光催化性能。因此,寻找合适的元素掺杂、优化 其及相关的纳米复合材料的制备方法及工艺成为了开发可见光响应光催化剂的一个有效 途径。在纳米催化材料的制备过程中,我们发现,用钕、钇和铌掺杂的该类催化剂具有良好 的催化性能,因此本项目旨在通过研究含钕、钇和铌类八 !^07新型纳米催化材料及其制备技 术,来深度挖掘它们的可见光光催化降解有机污染解和光解水制取氢气的能力。不但能产 生显著的经济效益,而且还能产生巨大的环境效益和社会效益。

【发明内容】

[0006] 本发明的目的是:提出两种粉末催化材料VxNdxNbO 7(0. 5彡X彡1)及制备工艺路 线及方法、性能表征及应用。以及提出一种YhNdxNb07(0. 5 < X < 1)-沸石复合多孔纳米 催化材料及Y3-xNdxNb0 7(0. 5 < X < 1)新型光电极的制备工艺、性能表征及应用。
[0007] 本发明的技术方案是:粉末催化材料Y3_xNdxNb0 7 (0. 5 < X < 1)的制备,采用盐助 溶液燃烧法和液相催化相转化法,粉末的粒径为〇. 15~0. 3微米。
[0008] Y3_xNdxNb07(0. 5彡X彡1)-沸石复合材料的制备,沸石粒径为0. 5~3微米, Y3_xNdxNb07 (0. 5 < X < 1)-沸石复合材料包裹后粒径0. 2~0. 4微米。
[0009] Y3_xNdxNb07 (0. 5彡X彡1) /氢桥混配物复合修饰光电极的制备,Y2NdNbO7I电极的 光电转化效率为8. 55%。
[0010] 粉末催化材料的应用,通过YhNdxNbO7 (0. 5 < X < 1)粉末为催化剂,降解废水中 的亚甲基兰(Cl6H18ClN3S)、磺胺甲恶唑(C ltlH11N3O3S)、辛硫磷。光源为氙灯,配上截止滤光片 (λ > 420nm)。实验过程中,用磁力搅拌器和充氧曝气的方式维持催化剂粉末呈悬浮状态。 整个光照反应在密闭不透光的环境下进行。
[0011] Y3-xNdxNb07 (0. 5彡X彡1)-沸石复合材料的应用,通过Y3_xNdxNb07 (0. 5x彡1)粉末 为催化剂,降解废水中的亚甲基兰(Cl6H18ClN3S)、磺胺甲恶唑(C ltlH11N3O3S)、辛硫磷。光源为 氙灯,配上截止滤光片(λ >420nm)。实验过程中,用磁力搅拌器和充氧曝气的方式维持催 化剂粉末呈悬浮状态。整个光照反应在密闭不透光的环境下进行。
[0012] 1、新型纳米材料Y3_xNdxNb0 7(0. 5 < X < 1)的制备方法:其特征是采用盐助溶液燃 烧法:
[0013] a.试剂准备:所用试剂主要有 Y(NO3)3 · 6H20 (AR)、NdCl3(AR)、NbCl5(AR)、甘氨酸 (AR)、KCI (AR)、去尚子水(AR)等。
[0014] b.仪器准备:电子天平、磁控温加热器、马弗炉、干燥箱等。
[0015] c.催化剂材料的制备:按Y3_xNdxNb07(0. 5彡X彡1)分子式中的原子摩尔比即 (3-x) : X : 1,用电子天平分别称取适量的Y (NO3)3 WH2CKNdClyNbCl5,放进研钵中研磨均 匀,直至研磨粒径达3~5微米,然后将细粉粒转移到石英烧杯中,加入一定量的去离子水 使药品溶解,再加入化学计量比的甘氨酸和KCI,形成混合溶液。将石英烧杯放置于磁控温 加热器上,于60°C下进行加热,反应3± Ih后,溶液温度逐渐升至IKTC左右,在此过程中, 溶液逐渐变得透明并被蒸发。上述溶液蒸发完全后所得粘稠液体会发生膨胀.紧接着释放 出气体。迅速发生自蔓延溶液燃烧反应,生成疏松的粉体,将燃烧所得粉体放入马福炉中煅 烧3~4h,冷却。然后将样品用蒸馏水洗涤3次,再用无水乙醇洗涤2次,放入干燥箱中干 燥,干燥箱温度设置为60°C,取出样品研磨装袋,即得最终产物。
[0016] 新型纳米材料Y3_xNdxNb0 7(0. 5彡X彡1)的制备方法:其特征是采用液相催化相转 化法:
[0017] a.试剂准备:所用试剂主要有 Y (NO3) 3 · 6H20 (AR)、NdCl3 (AR)、NbCl5 (AR)、 FeCl2 · 4H20 (AR)、NaOH (AR)、去离子水(AR)等。
[0018] b.制备溶液:按VxNdxNbO7 (0· 5彡X彡1)分子式中的原子摩尔比即(3-x) : X : 1 用电子天平分别称取适量Y (NO3) 3 · 6H20、NdCl3、NbCl5,放进研钵中研磨均匀,直至研磨粒径 达3~5微米,然后将细粉粒转移到石英烧杯中,各加入一定量的去离子水使药品溶解,制 得钇钕铌混合溶50mL。用电子天平称取Na0H6. 00g,FeCl2 · 4H20 4. 98g,用去离子水溶解, 各得 3mol/L NaOH 溶液 50mL、0. 5mol/L FeCl2溶液 50mL。
[0019] c.催化剂材料的制备
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