沟壑状锶掺杂TiO2‑ZrO2光催化剂的合成方法与流程

本发明涉及一种沟壑状锶掺杂tio2-zro2光催化剂的合成方法，属于化工行业技术领域。

背景技术：

环境污染和能源短缺问题激发了科学工作者对于发展更有效的光催化剂的广泛努力。光解水制氢作为二次能源，具有高效、清洁、可贮存、可运输、安全等多个优点，被人们认为是一种最理想的绿色能源。利用太阳能光电化学分解水制氢是从长远角度解决人类能源问题和环境问题的一条重要途径。因此，太阳能光解水转化为可储存的氢化学能是当前世界各国科学家感兴趣的课题。新型光催化技术由于其对环境友好等特点引起了各国科学家的广泛关注。光催化技术大都以半导体材料为光催化剂，在光的激发下能够降解污染物。此外，近些年，光催化剂的形貌、晶相、电子寿命、能带、电子结构、缺陷及表面态等方面的研究都得到了人们的广泛关注。其中，由于具有特殊形貌的纳米材料，在很多领域都能发挥卓越的性能而被广泛关注。研究开发多形貌微纳米光催化材料是提高光催化效率的有效途径。

技术实现要素：

本发明通过即时离心一步水解法合成了沟壑状锶掺杂tio2-zro2，一方面由于光催化材料本身具有特殊的凹凸有致的沟壑形貌，利用其结构的特殊性从而能够有效的进行光反射并提高光吸收性能；另一方面，由于tio2，zro2成分具有独特的化学和物理性质，tio2与zro2组合可促进光生电子和空穴的分离，从而提高复合材料的光催化活性。更重要的是，掺入的锶以srzro3的形式存在，能够保留沟壑形态，同时形成一系列新的异质结构，该异质结的形成更加有利于电子与空穴的分离，从而大大提高催化剂的光催化活性和光解水制氢性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：沟壑状锶掺杂tio2-zro2复合光催化剂的合成方法，称取sr(no3)2，质量为0.014±0.001g、正丁醇锆，体积为0.5ml、钛酸四异丙酯，体积为2ml，sr(no3)2溶解于两至三滴去离子水中备用。采用无乳化剂的乳化方法合成聚苯乙烯ps微球，并通过离心获得5mlps液体模板，将正丁醇锆滴加到钛酸四异丙酯中，搅拌15min后，将其滴加到ps中，继续搅拌1h，直至反应物形成糊状。将产物放入烘箱中至干燥，设定烘干温度60±2℃，干燥后所获产物在500℃下煅烧7h，得到白色粉末状的最终产物锶掺杂的tio2-zro2。

本发明的有益效果是：采用即时离心一步水解法合成沟壑状锶掺杂tio2-zro2复合光催化剂。该复合材料由四方相的zro2、正交相的srzro3和锐钛矿相的tio2组成。锶掺杂tio2-zro2保持了较好的沟壑结构，与直接光解和单体光催化相比，复合光催化剂在模拟日光和可见光下对有机污染物孔雀石绿具有较好的光降解效果。另外，复合催化剂在na2s-na2so3溶液中和300w氙灯的照射下具有较高的产氢速率，掺锶后的催化剂，产氢量是tio2-zro2的2.9倍，与tio2相比，产氢量是tio2的4.4倍，充分体现了所制备的催化剂的优异的产氢性能。这是由于沟壑状锶掺杂tio2-zro2，具有特殊的沟壑形貌且形成了异质结构，增加了光生电子的迁移途径，抑制了锶掺杂tio2-zro2光生电子-空穴对的复合，从而改善其光催化活性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1是锶掺杂tio2-zro2复合光催化剂表面形貌图。

图2是锶掺杂tio2-zro2复合光催化剂微观结构图。

图3是锶掺杂tio2-zro2复合光催化剂的hrtem照片。

图4是直接光降解、p25、zro2、tio2-zro2和锶掺杂tio2-zro2的模拟日光催化降解孔雀石绿反应速率图。

图5是直接光降解、tio2、zro2、tio2-zro2和锶掺杂tio2-zro2的可见光催化降解孔雀石绿反应速率图。

图6是直接光降解、p25、tio2、zro2、tio2-zro2和锶掺杂tio2-zro2的紫外催化降解孔雀石绿动力学结果图。

图7是tio2、zro2、tio2-zro2和锶掺杂tio2-zro2的紫外-可见漫射吸收光谱图。

图8是tio2、zro2、tio2-zro2和锶掺杂tio2-zro2在na2s-na2so3溶液中光解水制氢速率图。

具体实施方式

沟壑状锶掺杂tio2-zro2复合光催化剂，称取购于天津市东丽区天大化学试剂厂的99.5%硝酸锶，质量为0.014±0.001g，溶解于2-3滴去离子水中备用。量取购于上海迈瑞尔化学技术有限公司80.0%的zr(oc4h9)4，体积为0.5ml，和购于迈瑞尔化学技术有限公司98.0%的c12h28o4ti，体积为2ml，搅拌15min，依次将硝酸锶、钛锆的混合物溶解于ps中(采用无乳化剂的乳化方法合成，将合成的ps胶球倒入离心管中，以3000rap的转速离心1.5h后，将上层清液取走，再将下层沉淀的ps球取到玻璃离心管中，定量为5ml，获得ps液体模板)，搅拌1h至形成糊状物。将产物放入烘箱中至干燥，设定烘干温度60±2℃，干燥后所获产物使用天津泰斯特仪器有限公司的sx-2.5-12型箱式电阻炉中在500℃下煅烧7h，得到沟壑状锶掺杂tio2-zro2复合光催化剂。

沟壑状锶掺杂tio2-zro2复合光催化剂的结构及性能测定：

一、表面形貌和微观结构

沟壑状锶掺杂tio2-zro2样品的表面形貌和微观结构分析结果见图1—3。由图1、2可清楚地观察到，样品呈现出较为均匀的凹凸状，类似自然界中天然形成的沟壑地貌，且“沟壑”宽度较为均匀，图3为锶掺杂tio2-zro2样品hrtem照片。从图中可以看到四方相zro2的(011)晶面，正交相srzro3的(200)晶面和锐钛矿相tio2的(101)晶面。

二、光催化性能测定

市售p25、单体tio2、单体zro2、tio2-zro2和锶掺杂tio2-zro2的光催化活性进行了降解有机污染物孔雀石绿和光解水制氢的光催化实验。

1、降解有机污染物孔雀石绿见图4、图5显示，沟壑状锶掺杂tio2-zro2复合材料在模拟日光和可见光下对孔雀石绿的降解均呈现出最高的光催化活性，远超过市售p25。另外，不同样品对降解孔雀石绿速率的影响见图6所示。根据实验数据，按照公式-ln(ct/c0)=kt+b进行计算，其中，ct为染料在t时刻的浓度(mg·l^-1)，c0是染料初始浓度(mg·l^-1)，k是速率常数(min^-1)，b为截距。由图6可见，-ln(ct/c0)与反应时间t基本呈线性关系，这说明染料孔雀石绿的降解遵循准一级反应动力学。

2、紫外-可见漫反射吸收光谱图如图7所示，由图可见，与zro2相比，tio2-zro2和锶掺杂tio2-zro2的吸收峰均发生了不同程度的红移，且掺锶后的tio2-zro2的吸收峰红移稍大，一定程度上提高了锶掺杂的tio2-zro2复合材料的光催化活性。

3、光解水制氢tio2、zro2、tio2-zro2和锶掺杂tio2-zro2在na2s+na2so3溶液中产氢速率结果如图8所示。结果表明，锶掺杂tio2-zro2复合材料具有最好的产氢能力。