一种高效可见光催化剂及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光催化剂领域，特别涉及高效可见光催化剂Y202S及其制备方法。
【背景技术】
[0002]环境污染和能源短缺是当前全人类所需解决的重大挑战，是我国实施可持续发展战略所要优先考虑的重大课题。太阳能具有取之不尽、用之不竭而且清洁无污染等特点，如果能够充分利用太阳能，那么能源与环境问题将会得到大大缓解。当前，我国正处在工业化和城镇化加速发展的阶段，对有效利用基于太阳能的清洁能源和环境保护技术的研发需求尤为紧迫。自从1972年Fujishima和Honda首次发现单晶Ti02电极上能够光催化分解水后，Carey等人又成功地将Ti02用于光催化降解水中有机污染物，半导体光催化迅速受到各国环境和能源研究者的普遍关注。在降解有机污染物方面，光催化技术表现出了强氧化性、有机污染物矿化完全、可直接利用太阳能、室温反应等优点，有望成为解决环境问题的一条廉价可行的途径。
[0003]在众多的半导体光催化剂中，1102具有化学稳定性、廉价、环境友好等优点，并且基本可以无选择地降解有机污染物，是目前使用最广泛的光催化材料。但是打02在实际应用中仍然存在着一些缺陷，主要表现在其带隙较宽，如锐钛矿结构3.2 eV，对太阳光的吸收仅仅限于紫外区，而不能吸收太阳能中占43%的可见光。
[0004]根据半导体能带理论，当半导体受到光子能量大于或者等于其禁带宽度的光照射时，价带上的部分电子就会被激发并跃迀至导带，形成光生电子和光生空穴。当光生电子和光生空穴迀移至半导体表面时，就会与半导体表面上吸附的物种发生氧化还原反应，从而实现对有机污染物的降解。由这一理论可以得知，光催化剂的禁带宽度越窄，就可以吸收更多的可见光，就有可能表现出更强的光催化活性。但是，过窄的禁带宽度又会降低光生电子或光生空穴的氧化还原能力，因为光生载流子的氧化(或还原)能力取决于价带(或导带)的位置:导带底越高表明光生电子的还原能力越强，价带顶越低表明光生空穴的氧化能力越强。寻找可见光响应同时具有较高光催化活性的新型光催化剂成为当前光催化领域的研究热点。
[0005]金属硫氧化物可以看作是金属氧化物晶格中部分氧原子被硫原子取代的结果，其价带能级主要由S的3p轨道能级和0的2p轨道能级杂化组成。由于S的3p轨道能级位置比0的2p轨道能级位置高，所以金属硫氧化物的价带位置正好居于金属氧化物和金属硫化物之间。与金属氧化物相比，金属硫氧化物具有更窄的禁带宽度，可以吸收更多的太阳光；与金属硫化物相比，金属硫氧化物具有更低的价带位置，表现出更强的氧化能力，而绝大部分有机污染物的光催化降解是以光生空穴的氧化反应为主。因此，金属硫氧化物是一类非常适合于降解有机污染物的新型光催化材料体系。
【发明内容】
[0006]本发明解决的技术问题在于提供一种高效可见光催化剂，其结构和催化活性稳定性高，能够利用太阳光谱中的可见光。
[0007]本发明提供了一种高效可见光催化剂，其化学式为Y202S。
[0008]优选的，所述光催化剂为纳米级粉体。
[0009]本发明提供了一种高效可见光催化剂的制备方法，包括以下步骤:(A)将金属钇的前驱体和去离子水混合，得到混合溶液，然后在加热的条件下进行水热反应，过滤干燥后，得到粉体Υ(0Η)3;(Β)在硫化氢气氛下，将步骤(A)所述Υ(0Η) 3粉体进行加热硫化处理，保温后，得到高效可见光催化剂y2o2s。
[0010]优选的，所述步骤(A)中，所述金属钇前驱体为氯化钇、硝酸钇等可溶性钇盐，或者氧化钇等不可溶性钇盐。
[0011]优选的，所述步骤(A)中，所述加热温度为120-200°C，所述反应时间为1_48小时。
[0012]优选的，所述步骤(B)中，所述硫化氢气氛既可以是纯的硫化氢气体，也可以是硫化氢与惰性气体(如氮气、氩气等)的混合气体，其中硫化氢含量为1_99%。
[0013]优选的，所述步骤⑶中，所述加热保温处理具体为:将步骤⑶所述粉体以1-10°C /分钟的速度升温至500-1000°C，所述保温时间为1-24小时。
[0014]与现有技术相比，本发明将金属钇的前驱体与去离子水混合，进行水热反应，过滤干燥得到纳米级丫(0!1)3粉体；将Υ(0Η) 3纳米粉体进行高温硫化处理和保温，得到一种化学式为Y202S的可见光催化剂。实验结果表明，本发明通过所述两步法制备的可见光催化剂Y202S在可见光波段具有强吸光能力，可以充分吸收400-500纳米的可见光，并且在可见光条件下可高效降解有机染料。其结构及催化稳定性高，随着光照时间的延长，其结构并没有发生变化，并且光催化活性依然能保持较高水平。持续光照320分钟，其对亚甲基蓝的降解效率依然可以达到93%以上。
[0015]尽管通过一步法(直接用硫化氢硫化氧化钇)也可以得到Y202S，但是前驱体颗粒尺寸的不均匀会影响到产物的尺寸均匀性、光吸收能力以及光催化活性。在本发明中，我们先将金属钇的前驱体在水溶液中进行水热反应，预先制备尺寸均匀的纳米Υ(0Η)3粉体，然后通过高温硫化处理得到的y202s粉体，不仅颗粒尺寸非常均匀，而且还表现出更好的光催化活性。
【附图说明】
[0016]图1为实施例1制备的Υ(0Η)#Ρ可见光催化剂Y 202S在光催化反应前后的X射线衍射谱图；
图2为实施例2制备的高效可见光催化剂Y202S在可见光下降解亚甲基蓝的光催化性會κ ;
图3为实施例2制备的高效可见光催化剂Y202S在可见光下连续4次降解亚甲基蓝的光催化性能。
【具体实施方式】
[0017]为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
[0018]本发明实施例公开了一种高效可见光催化剂，其化学式为Y202S。所述光催化剂为纳米级粉体，优选为10-100纳米。
[0019]本发明还提供了一种高效可见光催化剂的制备方法，包括以下步骤:(A)将金属钇的前驱体和去离子水混合，得到混合溶液，然后在加热的条件下进行水热反应，过滤干燥后，得到粉体Υ(0Η)3;(Β)在硫化氢气氛下，将步骤(A)所述Υ(0Η) 3粉体进行加热硫化处理，保温后，得到可见光催化剂Y202S。
[0020]在本发明中，以金属钇的前驱体和去离子水为反应物，进行水热反应。所述金属钇前驱体为氯化钇、硝酸钇等可溶性钇盐，或者氧化钇等不可溶性钇盐。所述去离子水为溶剂，其用量优选为反应釜体积的50%_80%。
[0021]按照本发明，首先将金属钇的前驱体和去离子水混合，为了混合均匀，优选搅拌30-120分钟，得到混合溶液或者悬浮液。
[0022]得到混合溶液或悬浮液后，将所述混合溶液或悬浮液在加热的条件下进行水热反应，所述加热温度优选为120-200°C，更优选为140-180°C，所述加热时间优选为1_48小时，更优选为6-40小时。本发明对所述加热的设备没有特殊限制，优选为烘箱。反应结束后，对反应后溶液进行过滤，优选用去离子水及无水乙醇洗涤后再进行烘干，本发明对所述干燥的时间和温度没有特殊限制，优选为在60-120°C下保温1-24小时。过滤干燥后，得到Υ(0Η)3纳米粉体。
[0023]得到Υ(0Η)3纳米粉体后，将所述粉体在硫化氢气氛中，进行加热处理。所述硫化氢气氛既可以是纯的硫化氢气体，也可以是硫化氢与惰性气体(如氮气、氩气等)的混合气体，其中硫化氢含量为1_99%，优选为10-80%。所述加热处理优选为将所述的粉体以1-10°C /分钟的速度升温至500-1000°C，更优选为将所述的粉体以4°C /分钟的速度升温至600°C。加热处理后，将粉体进行保温，所述保温时间优选为1-24小时，更优选为6-12小时。保温后，最终得到可见光催化剂。所得到的所述可见光催化剂为纳米级粉体。
[0024]对得到的光催化剂进行X射线衍射分析，结果表明，其化学式为Y202S。
[0025]在可见光条件下，利用得到的光催化剂对有机染料进行光催化降解，结果表明，本发明得到的光催化剂对有机染料的降解率达到93%以上，并且其结构稳定，可连续使用。
[0026]本发明制备的光催化剂用于降解有机染料，尤其可用于降解亚甲基蓝、甲基橙、茜素红、罗丹明B或与上述染料具有相同生色团的有机染料。与传统氧化物型光催化剂相比，Y202S不仅具有很强的光催化活性，还能够充分吸收可见光，以及良好的结构和光催化稳定性。
[0027]为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的高效可见光催化剂及其制备方法进行说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
[0028]实施例1
称取3.831克硝酸钇(Υ(Ν03)3.6H20)，加入到250毫升烧杯中，然后加入去离子水至150毫升，搅拌30分钟，使其混合均匀，形成透明的溶液；
将上述溶液转移至200毫升不锈钢反应釜的内胆中，溶液体积占反应釜体积的75%，密封反应釜，然后将反应釜置于160°C的烘箱中反应16小时；
将反应后的悬浮液取出，慢慢转移到布氏漏斗中，利用去离子水和无水乙醇分别洗涤3次，然后将洗涤后的粉末置于120°C的烘箱中干燥12小时，得到￥(0!1)3纳米粉体； 将上述干燥后的粉体置于反应炉中，在纯的硫化氢气氛中将反应炉以3°C /分钟的速度缓慢升温至600°C，保温6小时，从而得到可见光催化剂Y202S粉体。
[0029]对得到的Y(0H)#PY 202S进行X射线衍射测试，其结果如图1所示。图1中，A为实施例1制备的Y (0H) 3的X射线衍射谱图，B为实施例1制备的可见光催化剂Y 202S在光催化反应前的X射线衍射谱图，C为实施例1制备的可见