一种铒离子掺杂钴酸镧光催化剂粉体及其制备方法和应用与流程

本发明属于光催化功能材料领域，尤其涉及一种铒离子掺杂的钴酸镧光催化剂粉体及其制备方法和应用。

背景技术：

水作为一种人类赖以生存、生产和生活最重要的物质，水体质量和水体净化的问题，直接影响到国家经济和国民的日常生产和生活。未经处理的染料废水直接排入江河湖海，会严重污染地表水资源和地下水资源，不仅使可用水资源越来越少，并且还造成大量水生生物的畸形和死亡。因此，应当快速研究能够有效降解废水中染料的高新技术。

染料废水是一种组成复杂、水质变化比较大、色度高和盐含量较高的工业废水，一般比较难处理。以往传统常规的处理方法的处理效果并不理想。最近十几年，陆续出现了利用臭氧氧化、高温深度氧化、超声波和光催化等处理染料废水技术，其中光催化技术是20世纪70年代迅速成长起来的新兴技术，应用领域广泛。光催化的过程主要是利用光波照射光催化剂，从而使光催化剂获得氧化还原的能力，从而能够促进污染物的降解。光催化技术具有高效率、无污染、低能耗和操作简单等诸多优点，受到了研究人员的广泛关注。

自从1972年发现TiO2的光催化作用以来，在光催化领域应用最广泛的催化剂一直都是TiO2，它的催化机理已经比较清晰明确。由于TiO2的稳定性优越、反应活性高，而且可以控制减小粒径的方法来提高反应活性，其作为催化剂已经被广泛应用于环境污染的相关治理工作中。但是TiO2也具有其局限性，它的带隙（Eg）较宽，只能吸收波长较小的紫外光，能量利用率较低。而且粉末TiO2在实际使用过程中，不利于回收和分离，光致光子和空穴对的转移速度比较慢、复合速率比较高，直接导致了光催化量子效率低。

近几年，对于用稀土元素掺杂钙钛矿型复合氧化物来改变其性质的相关研究越来越多地被报道，尤其在光催化领域占有一席之地，我国稀土矿藏资源十分丰富，有效利用这种战略资源，开发出更能满足实际需求的催化剂具有十分重要的现实意义。从制备不同形貌和不同维度的钙钛矿型复合氧化物粉体颗粒的方法入手，研究纳米级颗粒催化剂在光催化时的催化原理和机制，将成为功能材料和光催化领域的重要方向。综上所述，研究制备出一种新型的稀土元素掺杂钙钛矿型复合氧化物的光催化剂显得尤为重要。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供了一种铒离子掺杂的钴酸镧光催化剂粉体及其制备方法和应用。该光催化剂粉体催化效率高，制备方法简单，是一种新型光催化剂材料。

为了实现上述目标，本发明提供的一种铒离子掺杂钴酸镧光催化剂粉体，其通式为：La1-xErxCoO3，其中0≤x≤0.2。

为了实现上述目标，本发明提供的铒离子掺杂钴酸镧光催化剂粉体的制备方法，包括以下步骤。

步骤1、按照通式中的摩尔比称取镧的可溶性盐、钴的可溶性盐和铒的可溶性盐，溶于去离子水中，搅拌得到溶液 A。

步骤2、在溶液 A中缓慢加入氢氧化钠溶液，搅拌处理后，得到溶液 B。

步骤3、将溶液 B进行抽滤处理后，得到沉淀 C。

步骤4、将沉淀 C 放入烘箱中烘干处理。

步骤5、将烘干后的沉淀物放入马弗炉中煅烧，得到催化剂粉体。

所述铒离子掺杂钴酸镧光催化剂粉体的制备方法，具体包括以下步骤。

步骤1、按照通式中摩尔比称取镧的可溶性盐、钴的可溶性盐和铒的可溶性盐，溶于去离子水中，搅拌均匀后，得到溶液 A。

步骤2、在溶液 A 中缓慢加入浓度为 1/500-1/1000mol·mL^-1 的氢氧化钠溶液，调整pH=8-10，磁力搅拌 1-2h ，得到溶液 B。

步骤3、将溶液 B 进行抽滤处理后，得到沉淀 C。

步骤4、将沉淀 C 放入烘箱，在60-100℃条件下，烘干处理2-4小时。

步骤5、将烘干后的沉淀物置于马弗炉中，升温1-3h，从室温升高到600℃-900℃，然后保温2.5-4h，得到催化剂粉体。

所述步骤（1）中，去离子水的体积用量为镧的可溶性盐、钴的可溶性盐和铒的可溶性盐总摩尔量的 20-40 倍。

所述步骤（1）中，镧的可溶性盐、钴的可溶性盐和铒的可溶性盐均为硝酸盐、碳酸盐或醋酸盐中的一种或几种。

所述的搅拌转速为500r/min-800r/min。

所述铒离子掺杂钴酸镧光催化剂粉体可以应用于催化降解处理孔雀石绿等染料的；优选的，x=0.2时，光催化粉体的催化降解效果最佳。

本发明的有益效果。

本发明提供铒离子掺杂钴酸镧光催化剂粉体，以钴酸镧为基体掺入铒元素，所得的光催化剂粉体纯度高、催化性能好；本发明的光催化剂粉体对孔雀石绿有较明显的催化作用。本发明还提供了一种铒离子掺杂钴酸镧光催化剂粉体的制备方法，制备工艺简单易操作，煅烧温度低，条件温和易控制，制备得到的样品纯度高，性能优良，成本低，适合大规模生产。

附图说明。

图1是700℃烧结钴酸镧，保温3.5h，不同比例Er掺杂的LaCoO3的XRD衍射谱图；其中a、b、c、d、e分别代表20%、10%、5%、3%、0%五种掺杂比例。

图2是750℃烧结钴酸镧保温3h，Er掺杂量x=0.05时,扫描电镜图。

图3是900℃烧结钴酸镧保温3.5h，Er掺杂量x=0.2时,扫描电镜图。

图4是实施例1铒离子掺杂浓度为3%（x=0.03）的 LaCoO3样品对孔雀石绿的光催化降解图。

图5是实施例2铒离子掺杂浓度为5%（x=0.05）的 LaCoO3样品对孔雀石绿的光催化降解图。

图6是实施例3铒离子掺杂浓度为10%（x=0.1）的 LaCoO3样品对孔雀石绿的光催化降解图。

图7是实施例4铒离子掺杂浓度为20%（x=0.2）的 LaCoO3样品对孔雀石绿的光催化降解图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做详细的说明。

实施例1。

铒离子掺杂钴酸镧光催化剂，其通式为：La1-xErxCoO3，其中，x=0.03。

所述铒离子掺杂钴酸镧光催化剂的制备方法，包括以下步骤：按照通式中摩尔比称取0.97mmol碳酸镧、1mmol硝酸钴和0.03mmol醋酸铒，溶于去离子水中（去离子水的体积用量为碳酸镧、硝酸钴和醋酸铒总摩尔量的20倍），500r/min磁力搅拌得到溶液 A；在溶液 A 中缓慢加入浓度为 1/500mol·mL^-1 的氢氧化钠溶液，调整pH=8，500r/min磁力搅拌1h得到溶液B；将溶液 B 进行抽滤得到沉淀 C；将沉淀 C 放入烘箱，在70℃下烘干2 h；将烘干后的沉淀物置于马弗炉中，马弗炉内温度升温1h，从室温升高到700℃，然后保温3.5h，得到催化剂粉体。

实施例2。

一种铒离子掺杂钴酸镧光催化剂，其通式为：La1-xErxCoO3，其中，x=0.05。

所述铒离子掺杂钴酸镧光催化剂的制备方法，包括以下步骤：按照通式中摩尔比称取0.95mmol醋酸镧、1mmol碳酸钴和0.05mmol硝酸铒，溶于去离子水中（去离子水的体积用量为碳酸镧、硝酸钴和醋酸铒总摩尔量的25倍），500r/min磁力搅拌得到溶液 A；在溶液 A 中缓慢加入浓度为 1/600mol·mL^-1 的氢氧化钠溶液，调整pH=9，500r/min磁力搅拌1.5h得到溶液 B；将溶液 B 进行抽滤得到沉淀 C；将沉淀 C 放入烘箱，在80℃下烘干2.5 h；将烘干后的沉淀物置于马弗炉中，马弗炉内温度升温1h，从室温升高到750℃，然后保温3h，得到催化剂粉体。

实施例3。

一种铒离子掺杂钴酸镧光催化剂，其通式为：La1-xErxCoO3，其中，x=0.10。

所述铒离子掺杂钴酸镧光催化剂的制备方法，包括以下步骤：按照通式中摩尔比称取1.8mmol硝酸镧、2mmol醋酸钴和0.2mmol碳酸铒，溶于去离子水中（去离子水的体积用量为碳酸镧、硝酸钴和醋酸铒总摩尔量的30倍），700r/min磁力搅拌得到溶液 A；在溶液 A 中缓慢加入浓度为 1/700mol·mL^-1 的氢氧化钠溶液，调整pH=9.5，700r/min磁力搅拌 1.5h得到溶液 B；将溶液 B 进行抽滤得到沉淀 C；将沉淀 C 放入烘箱，在85℃下烘干2 h；将烘干后的沉淀物置于马弗炉中，马弗炉内温度升温2.5h，从室温升高到800℃，然后保温2.5h，得到催化剂粉体。

实施例4。

一种铒离子掺杂钴酸镧光催化剂，其通式为：La1-xErxCoO3，其中，x=0.20。

所述的铒离子掺杂钴酸镧光催化剂的制备方法，包括以下步骤：按照通式中摩尔比称取1.6mmolmmol碳酸镧、2mmol硝酸钴和0.4mmol醋酸铒，溶于去离子水中（去离子水的体积用量为碳酸镧、硝酸钴和醋酸铒总摩尔量的40倍），800r/min机械搅拌得到溶液 A；在溶液 A 中缓慢加入浓度为 1/550mol·mL^-1的氢氧化钠溶液，调整pH=10，800r/min磁力搅拌2h得到溶液B；将溶液B进行抽滤得到沉淀C；将沉淀 C 放入烘箱，在60℃下烘干4 h；将烘干后的沉淀物置于马弗炉中，马弗炉内温度升温1h，从室温升高到900℃，然后保温3.5h，得到催化剂粉体。

实施例5。

一种铒离子掺杂钴酸镧光催化剂，其通式为：La1-xErxCoO3，其中，x=0.15。

所述的铒离子掺杂钴酸镧光催化剂的制备方法，包括以下步骤：按照通式中摩尔比称取0.85mmol醋酸镧、1mmol碳酸钴和0.15mmol硝酸铒，溶于去离子水中（去离子水的体积用量为碳酸镧、硝酸钴和醋酸铒总摩尔量的35倍），650r/min磁力搅拌得到溶液 A；在溶液 A 中缓慢加入浓度为 1/1000mol·mL^-1的氢氧化钠溶液，调整pH=10，650r/min磁力搅拌1.5h得到溶液B；将溶液 B 进行抽滤得到沉淀C；将沉淀C放入烘箱，在100℃下烘干3.5 h；将烘干后的沉淀物置于马弗炉中，马弗炉内温度升温3h，从室温升高到600℃，然后保温4h，得到催化剂粉体。

通过X-射线衍射分析仪对不同铒掺杂比例的钴酸锌样品（750℃烧结钴酸镧保温3h），进行了测试并与钴酸锌的标准PDF片比；靶材-Cu靶、工作电压-30kv、工作电流-25mA，在15°到84°扫描范围内进行测试，扫描速度为0.08°/s，接收狭缝是0.2mm；测试结果，见图1。

实施例2中750℃烧结钴酸镧保温3h，Er掺杂量x=0.05时，扫描电镜图，见图2；实施例4中900℃烧结钴酸镧保温3.5h，Er掺杂量x=0.2时，扫描电镜图，见图3。从扫描电镜图可以看出，Er掺杂量为5%时，粉体颗粒粒度大，粒径大部分在200nm-300nm之间，而且颗粒团聚严重，许多颗粒聚成一团、粘连成一片；因为催化剂的粒度越小催化性能越高，所以可以判断这样的样品颗粒光催化性能不会太好。而900℃下制备的Er掺杂量为20%时，粉体颗粒粒度均匀，颗粒分散度好，而且粒径都处于100-200nm之间，可以认为其已经达到纳米级颗粒的要求，光催化性能较好。

选取掺杂比例为0%、3%、5%、10%和20%的LaCoO3粉体，采用紫外-可见光光度计对相同铒掺杂浓度的样品光催化降解孔雀石绿的效果进行测试，最后使用Origin软件进行绘图分析；孔雀石绿溶液配置：称量0.025g孔雀石绿粉末溶解于50ml去离子水中，取5ml溶液稀释于45ml蒸馏水中配制浓度为50mg/L稀释液50ml，每次催化实验，分别称量不同掺杂比例的粉体样品0.02g；分别观察其在超声震荡之后，在多通道光催化反应仪高压汞灯的照射下对孔雀石绿的催化性能。不同比例掺杂Er的LaCoO3粉体对孔雀石绿的光催化作用，如图4-7所示，从图中可知，LaCoO3的掺杂的不同比例Er的产物都对孔雀石绿有较明显的催化作用。

通过对比可以看出，Er掺杂量为20%的LaCoO3粉体光催化性能最为优越。