一种光催化剂及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及纳米光催化材料领域，公开了一种光催化剂，包括KNb3O8纳米线及包覆在KNb3O8纳米线表面的银纳米粒子。本发明采用氧化还原法在KNb3O8纳米线表面包覆银纳米粒子制备光催化剂，所述制备方法操作简单、可重复性好、成本低。本发明光催化剂具有良好的光催化性和非线性光学系数，在染料污水处理、能量存储、光波导、倍频和全息存储设备中有广泛的应用。
【专利说明】一种光催化剂及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光催化材料领域，尤其涉及一种可应用于污水处理的光催化剂及其制备方法。
【背景技术】
[0002]纺织工业产生的染料污水是水污染的主要来源之一，目前各种物理、化学和生物的方法对染料污水进行处理，也只能将污染物从一种相态转移到另外一种相态，而不能把它破坏掉，光催化方法是一种更有效的水处理方法，它可以对染料的结构进行破坏，对污水中的染料进行彻底处理而受到人们的广泛关注。
[0003]二氧化钛是最常用的用于污水处理的半导体光催化剂，由于二氧化钛有限的催化活性和选择性，限制了它的广泛应用，人们发现了一种更效果更好的光催化剂:层状结构的铌酸盐如K4Nb6O17, Bi2InNbO7, Sr2Nb2O7, KNb3O8和K2Nb4O11等，研究还发现一维材料具有更好的光催化效果。虽然Ding等人制备了 KNbO3纳米线，Zhan等人制备了 KNb3O8纳米带,并研究了其光催化性能，然而，目前还没有Ag纳米粒子包覆的KNb3O8纳米线晶体的制备。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题在于提供一种光催化剂及其制备方法，该方法具有操作简单、成本低的优点。
[0005]本发明所采用的技术方案是:提供一种光催化剂，所述光催化剂为银纳米粒子包覆的KNb3O8纳米线。
[0006]本发明还提供一种光催化剂的制备方法，包括如下步骤:提供KNb3O8纳米线；在氨水溶液中加入AgNO3溶液，搅拌，加入所述的KNb3O8纳米线，继续搅拌，再加入甲醛溶液进行银镜反应，获得Ag纳米粒子包覆的KNb3O8纳米线。
[0007]本发明采用氧化还原法在KNb3O8纳米线表面包覆银纳米粒子制备光催化剂，所述制备方法操作简单、可重复性好、成本低。该纳米光催化材料具有良好的光催化性和非线性光学性，在染料污水处理、电光调制器、电光偏转器等光电器件领域有广泛的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1为本发明实施例1所制得的KNb3O8纳米线晶体和Ag纳米粒子包覆的KNb3O8纳米线晶体的X射线衍射图(注:a为KNb3O8纳米线晶体；b为Ag纳米粒子包覆的KNb3O8纳米线晶体);
[0009]图2为本发明实施例1所制得的Ag纳米粒子包覆的KNb3O8纳米线晶体的透射电镜照片；
[0010]图3为本发明实施例1所制得的Ag纳米粒子包覆的KNb3O8纳米线晶体的光催化甲基橙降解率随时间变化图；
[0011]图4为本发明实施例1所制得的KNb3O8纳米线和Ag纳米粒子包覆的KNb3O8纳米线晶体的光催化降解率随时间变化图。
【具体实施方式】
[0012]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0013]本发明实施例的一种光催化剂，包括KNb3O8纳米线及包覆在所述KNb3O8纳米线表面的银纳米粒子。具体地，KNb3O8纳米线直径为200?500nm，长度为5?10 μ m，银纳米粒子直径为10?50nm。
[0014]本发明实施例的一种光催化剂的制备方法，包括:
[0015]步骤一:提供KNb3O8纳米线；
[0016]步骤二:在氨水溶液中加入AgNO3溶液，搅拌，加入所述KNb3O8纳米线，继续搅拌，再加入含醛基溶液进行银镜反应，冷却后进行冲洗，获得Ag纳米粒子包覆的KNb3O8纳米线。
[0017]具体地，步骤一中KNb3O8纳米线的制备方法:在室温下，按一定摩尔比称取KCl和Nb2O5，在研钵中研磨30分钟，转移到坩埚中，在马弗炉中，煅烧I?4小时，冷却到室温后，进行水洗，过滤，滤出物用蒸馏水洗至PH值等于7后用乙醇冲洗，在60?100°C下干燥5?12小时，获得KNb3O8纳米线。
[0018]具体地，步骤二中，KNb3O8纳米线与AgNO3的质量比为I?5:1，优选质量比为2:1 ；氨水溶液浓度为0.1?8wt%’ AgNO3溶液的物质的量浓度为5.0?10M，通过调整银镜反应的AgNO3溶液和氨水的浓度，可以得到不同直径的银包覆的KNb3O8纳米线。其中含醛基溶液可以为任意含醛基化合物的溶液，可以为甲醛、乙醛、丙醛等醛类，或者为葡萄糖、甲酸、甲酸盐、甲酸酯等含有醛基的非醛类物质的至少一种的溶液，优选甲醛溶液。其中，含醛基溶液的物质的量浓度优选为5?IOM0
[0019]更具体地，步骤二为，室温条件下，在氨水溶液中逐滴加入AgNO3溶液，磁力搅拌器搅拌至溶液为无色，制备适宜浓度的银氨溶液。在银氨溶液中加入一定量的KNb3O8纳米线，搅拌均匀后在60°C条件下加入甲醛溶液进行银镜反应。反应结束后，将产物冷却到室温，进行水洗，过滤，滤出物用蒸馏水洗至PH值等于7后用乙醇冲洗，干燥。所述干燥的温度为60?100°C,干燥时间为5?12小时。所述搅拌为磁力搅拌，每次搅拌时间为0.5?2小时。
[0020]本发明采用银镜法制备了 Ag纳米粒子包覆的KNb3O8纳米线晶体，该材料具有良好的光催化性能，在污水处理，能量转换等领域有广泛的应用前景。
[0021 ] 下面，具体用实施例说明本技术方案提供的Ag纳米粒子包覆的KNb3O8纳米线晶体的制备方法。
[0022]实施例1
[0023]在室温下(10-400C )，称取氯化钾3.3048g和五氧化二铌2.0086g,在玛瑙研钵中进行充分研磨混合，研磨的时间为0.5小时。然后移入陶瓷坩埚中，再放入马弗炉中高温煅烧3小时，马弗炉的温度为900°C，冷却至室温后，用蒸馏水洗涤，然后用滤孔直径是0.4 μ m滤膜过滤，滤出物用蒸馏水洗至pH值等于7后，在100°C下干燥6小时，获得KNb3O8纳米棒。1.5g AgNO3加入50mL水中混合均勻，2.0wt%的氨水溶液逐滴加入到上述AgNO3溶液中，磁力搅拌器搅拌至溶液为无色后，加入0.2g KNb3O8纳米线,继续磁力搅拌,接着在60°C下加入8.0mol/L的甲醛溶液，反应40min后，冷却到室温，用蒸馏水洗涤，然后用滤孔直径是0.6 μ m滤膜过滤，滤出物用蒸馏水洗至pH值等于7后，在80°C下干燥10小时，制得银纳米粒子包覆的KNb3O8纳米线，即光催化剂。
[0024]XRD 表征图如图1 所示，2 Θ 值为 38.32° ,44.49。，64.78。，77.73° 分别对应Ag的(111)，(200)，(220)和(311)晶面的衍射峰，其他峰均为KNb3O8晶体的衍射峰，说明获得的晶体中包含Ag和KNb3O8晶体。
[0025]TEM表征图如图2所示，可以看出Ag晶体发育完整，尺寸为10到50nm，Ag纳米粒子包覆在KNb3O8表面，KNb3O8直径为200nm左右。
[0026]实施例2
[0027]在室温下(10-400C )，称取氯化钾3.3048g和五氧化二铌2.0086g,在玛瑙研钵中进行充分研磨混合，研磨的时间为0.5小时。然后移入陶瓷坩埚中，再放入马弗炉中高温煅烧3小时，马弗炉的温度为800°C，冷却至室温后，用蒸馏水洗涤，然后用滤孔直径是0.4 μ m滤膜过滤，滤出物用蒸馏水洗至PH值等于7后，在100°C下干燥6小时，获得KNb3O8纳米棒。2.0g AgNO3加入50mL水中混合均匀，2.0%的氨水溶液逐滴加入到上述AgNO3溶液中，磁力搅拌器搅拌至溶液为无色后，加入0.2g KNb3O8纳米线,继续磁力搅拌,接着在60°C下加入7.0mol/L的甲醛溶液,反应40min后,冷却到室温,用蒸馏水洗涤,然后用滤孔直径是0.6 μ m滤膜过滤，滤出物用蒸馏水洗至pH值等于7后，在80°C下干燥10小时，得到银纳米粒子包覆的KNb3O8纳米线，即光催化剂。
[0028]实施例3
[0029]在室温下(10-400C )，称取氯化钾3.3175g和五氧化二铌1.8057g,在玛瑙研钵中进行充分研磨混合，研磨的时间为0.5小时。然后移入陶瓷坩埚中，再放入马弗炉中高温煅烧2小时，马弗炉的温度为950°C，冷却至室温后，用蒸馏水洗涤，然后用滤孔直径是0.4 μ m滤膜过滤，滤出物用蒸馏水洗至PH值等于7后，在100°C下干燥6小时，获得KNb3O8纳米棒。2.0g AgNO3加入50mL水中混合均匀，2.0%的氨水溶液逐滴加入到上述AgNO3溶液中，磁力搅拌器搅拌至溶液为无色后，加入0.5g KNb3O8纳米线,继续磁力搅拌,接着在60°C下加入9.0mol/L的甲醛溶液,反应60min后,冷却到室温,用蒸馏水洗涤,然后用滤孔直径是0.8 μ m滤膜过滤，滤出物用蒸馏水洗至pH值等于7后，在80°C下干燥10小时，得到银纳米粒子包覆的KNb3O8纳米线，即光催化剂。
[0030]实施例4
[0031]在室温下(10-40°C)，称取氯化钾3.3175g和五氧化二铌1.8057g，在玛瑙研钵中进行充分研磨混合，研磨的时间为0.5小时。然后移入陶瓷坩埚中，再放入马弗炉中高温煅烧3小时，马弗炉的温度为850°C，冷却至室温后，用蒸馏水洗涤，然后用滤孔直径是0.4 μ m滤膜过滤，滤出物用蒸馏水洗至PH值等于7后，在100°C下干燥6小时，获得KNb3O8纳米棒。1.0g AgNO3加入50mL水中混合均匀，5.0%的氨水溶液逐滴加入到上述AgNO3溶液中，磁力搅拌器搅拌至溶液为无色后，加入1.0g KNb3O8纳米线,继续磁力搅拌,接着在60°C下加入8.0mol/L的甲醛溶液,反应40min后,冷却到室温,用蒸馏水洗涤,然后用滤孔直径是0.4 μ m滤膜过滤，滤出物用蒸馏水洗至pH值等于7后，在80°C下干燥10小时，得到银纳米粒子包覆的KNb3O8纳米线，即光催化剂。[0032]实验例光催化降解率比较
[0033]取本发明实施例1所制备KNb3O8纳米线晶体和银纳米粒子包覆的KNb3O8纳米线晶体比较其光催化降解率。
[0034]实验测得，甲基橙光催化降解率随时间变化曲线如图3所示，照射240min时，89%甲基橙被Ag纳米粒子包覆的KNb3O8纳米线晶体降解。
[0035]实验测得，罗丹明B光催化降解率随时间变化曲线如图4所示，照射240min时，罗丹明B几乎全部被Ag纳米粒子包覆的KNb3O8纳米线晶体降解,且本发明光催化剂Ag纳米粒子包覆的KNb3O8纳米线晶体的光催化降解率明显高于KNb3O8纳米线，具有良好的光催化性，在染料污水处理中有广泛的应用。
[0036]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种光催化剂，其特征在于，所述光催化剂为表面包覆银纳米粒子的KNb3O8纳米线。
2.根据权利要求1所述的光催化剂，其特征在于，所述KNb3O8纳米线直径为200?500nm,长度为5?10 μ m,银纳米粒子直径为10?50nm。
3.一种光催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤: 提供KNb3O8纳米线； 在氨水溶液中加入AgNO3溶液，搅拌，加入所述的KNb3O8纳米线，继续搅拌，再加入含有醛基的溶液进行银镜反应，获得银纳米粒子包覆的KNb3O8纳米线。
4.根据权利要求3所述的光催化剂的制备方法，其特征在于，所述KNb3O8纳米线与所述AgNO3溶液中固体AgNO3的质量比为1:1?5:1。
5.根据权利要求3所述的光催化剂的制备方法，其特征在于，所述氨水溶液浓度为0.1?8wt% ;所述AgNO3溶液的物质的量浓度为5.0?10M。
6.根据权利要求3所述的光催化剂的制备方法，其特征在于，所述含醛基溶液的物质的量浓度为5?10M。
7.根据权利要求3或7所述的光催化剂的制备方法，其特征在于，所述含醛基溶液为甲醛溶液。
8.根据权利要求3所述的光催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括加入含醛基溶液进行银镜反应后，将产物冷却到室温，再水洗，过滤，滤出物用蒸馏水洗至PH值等于7后用乙醇冲洗，在60?100°C干燥5?12小时。
9.根据权利要求3所述的光催化剂的制备方法，其特征在于，所述搅拌为磁力搅拌，每次搅拌时间为0.5?2小时。
【文档编号】B01J23/66GK103752312SQ201310733352
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年12月26日 优先权日:2013年12月26日
【发明者】曹慧群, 于斌, 于杰, 曹博, 游诚, 辛红, 罗仲宽 申请人:深圳大学