專利名稱：一種可見光響應(yīng)光催化劑及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及治理環(huán)境污染用的光催化材料及制備，也涉及低溫燃燒合成技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著工業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高，環(huán)境污染問題已提到非常重要的議事日程，開發(fā)高效、節(jié)能、無二次污染的環(huán)境治理、環(huán)境保護(hù)新技術(shù)尤其受到人們的關(guān)注。在各類新技術(shù)中，光催化技術(shù)是21世紀(jì)最有前途的環(huán)境友好清潔新技術(shù)之一，它是利用光催化劑吸收光的能量分解有機(jī)物或分解水的過程。其機(jī)理是半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子受光激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶，在導(dǎo)帶中形成光生電子，在價(jià)帶中留下光生空穴。這些非平衡態(tài)的電子和空穴有極強(qiáng)的還原和氧化能力。當(dāng)它們擴(kuò)散到光催化劑的表面時(shí)候，可將污染物氧化還原成無害的小分子，或?qū)⑺纸鉃镠2和O2。由于光催化可利用自然光(例如太陽光)長期工作，具有低成本、無毒害的優(yōu)點(diǎn)，對于從根本上解決環(huán)境污染和能源短缺問題具有不可低估的意義。
實(shí)用的光催化材料需有較強(qiáng)的吸光能力，以及較長時(shí)間的非平衡態(tài)電子、空穴壽命和較高的電子、空穴遷移率。如何找到合適的光催化材料一直是科技人員關(guān)注的研究課題。近30年來的相關(guān)研究主要圍繞著以TiO2為基礎(chǔ)的系列寬禁帶半導(dǎo)體。然而由于TiO2的禁帶過寬，致使TiO2只能吸收紫外波段的光。從太陽能的利用來看，紫外線(400nm以下)僅占太陽光總能量的4％左右，而波長為400-750nm的可見光則占到近43％。因此，為了有效地利用太陽能，同時(shí)滿足室內(nèi)無紫外線環(huán)境光催化凈化的需求，尋找可見光響應(yīng)的光催化劑勢在必行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于，提供一種在可見光條件下具有光降解有機(jī)污染物性能的光催化劑YMO3(M＝In，Al)及其制備方法。
本發(fā)明的可見光響應(yīng)光催化劑，其特征在于，它是化合物YMO3，其中M為In或Al，YAlO3的結(jié)構(gòu)為鈣鈦礦型，YInO3是具有立方相的(Y0.5In0.5)2O3，即其結(jié)構(gòu)為立方相，結(jié)構(gòu)式為(Y0.5In0.5)2O3。該光催化劑可以由以下方法制備由硝酸釔與硝酸銦或硝酸鋁為氧化劑、有機(jī)羧酸氨基乙酸為燃料、在去離子水或蒸餾水溶液中經(jīng)300～400℃低溫燃燒產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)得到納米級粉體化合物，再經(jīng)1000～1200℃環(huán)境中焙燒1～12小時(shí)得到的YInO3或YAlO3，其中硝酸釔與硝酸銦或硝酸鋁摩爾比為1∶1，硝酸銦或硝酸鋁與氨基乙酸摩爾比為3∶10，加水量按照硝酸釔溶液濃度為0.1～0.2摩爾/升計(jì)算，其化學(xué)反應(yīng)式為3Y(NO3)3+3M(NO3)3+10C2H5NO2＝3YMO3+14N2↑+25H2O↑+20CO2↑。
本發(fā)明的制備上述可見光響應(yīng)光催化劑YMO3(M＝In，Al)的方法，包括配料、混合及低溫燃燒合成，其特征在于，具體步驟為1)將硝酸釔(Y(NO3)3)、硝酸銦(In(NO3)3)或者硝酸鋁(Al(NO3)3)、有機(jī)燃料氨基乙酸(NH2CH2COOH)和去離子水或蒸餾水水混合配成溶液，并將配好后的溶液經(jīng)攪拌使其均勻混合，后于室溫下靜置12～24小時(shí)，其中硝酸釔與硝酸銦或硝酸鋁的摩爾比為1∶1，硝酸銦或硝酸鋁與氨基乙酸摩爾比為3∶10，加水量按照硝酸釔溶液濃度為0.1～0.2摩爾/升計(jì)算；2)將上述溶液緩慢升溫到300～400℃，例如先將溶液置于150～200℃下恒溫20～60分鐘，再以2～4℃/分鐘的速率緩慢升溫到300～400℃，使溶液中的有機(jī)燃料燃燒并發(fā)生合成反應(yīng)，得到蓬松的納米YMO3(M＝In，Al)粉體，其化學(xué)反應(yīng)式為3Y(NO3)3+3M(NO3)3+10C2H5NO2＝3YMO3+14N2↑+25H2O↑+20CO2↑；3)將上述納米粉體在1000～1200℃下焙燒1～12小時(shí)，得成品YInO3或YAlO3。
本發(fā)明的可見光響應(yīng)光催化劑YMO3(M＝In，Al)，產(chǎn)品雜質(zhì)含量低，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。測試結(jié)果表明，該催化劑YMO3在可見光波段中具有較強(qiáng)的吸光能力，以及較長時(shí)間的非平衡態(tài)電子、空穴壽命和較高的電子、空穴遷移率，能夠吸收太陽光中的可見光部分，并且在可見光照射下具有穩(wěn)定的光催化活性，能夠滿足室內(nèi)無紫外線環(huán)境時(shí)光催化凈化的需求。
本發(fā)明的制備方法基于氧化還原反應(yīng)原理，以硝酸鹽為氧化劑，有機(jī)羧酸為燃料，配料提供了燃燒所需的氧化劑，保證后續(xù)燃燒反應(yīng)中有機(jī)燃料的需氧量和硝酸鹽提供的氧含量平衡，使反應(yīng)能夠迅速蔓延并充分進(jìn)行，直至燃料耗盡。本制備方法具有以下優(yōu)點(diǎn)1.反應(yīng)在溶液中進(jìn)行，可以達(dá)到分子水平的均勻混合，合成溫度低；2.制備工藝簡單，所需時(shí)間短，費(fèi)用低。
3.不需要長時(shí)間研磨，產(chǎn)品中雜質(zhì)含量低，從而保證了穩(wěn)定的光催化活性。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例1和實(shí)施例2所制備的YInO3和YAlO3在其進(jìn)行光催化活性反應(yīng)前后的XRD測試曲線。
圖2是對本發(fā)明實(shí)施例1和實(shí)施例2所制備的YInO3和YAlO3進(jìn)行光催化活性測試的結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1(1)稱取2.75克Y(NO3)3、3.819克 2.5克有機(jī)燃料C2H5NO2，放入100毫升燒杯中，加入50毫升去離子水，攪拌30分鐘使其均勻混合后，將溶液于室溫下靜置24小時(shí)；(2)取上述溶液約20毫升置于100毫升燒杯中，將燒杯置于200℃下恒溫30分鐘；(3)然后按3℃/分鐘速率緩慢升溫至300℃使容器內(nèi)的溶液充分燃燒，得到蓬松的YInO3粉體；(4)將上述燃燒粉末置于1100℃下焙燒10小時(shí)，得成品YInO3。
對該成品進(jìn)行X射線衍射(簡稱XRD)測試，其結(jié)果示于圖1。圖1中光催化反應(yīng)前的YInO3曲線表明該合成樣品為立方相的(Y0.5In0.5)2O3。
實(shí)施例2(1)稱取2.75克Y(NO3)3、3.751克Al(NO3)3·9H2O、2.5克有機(jī)燃料C2H5NO2，放入100毫升燒杯中，加入50毫升去離子水，攪拌30分鐘后，將溶液于室溫下靜置24小時(shí)；(2)取上述溶液約20毫升置于100毫升燒杯中，將燒杯置于200℃下恒溫30分鐘；(3)然后按3℃/分鐘速率緩慢升溫至300℃使容器內(nèi)的溶液充分燃燒，得到蓬松的YAlO3粉體；(4)將上述燃燒粉末置于1100℃下焙燒10小時(shí)，得成品YAlO3。
圖1中反應(yīng)前的YAlO3曲線為該合成樣品的X射線衍射圖，表明該合成樣品為純相鈣鈦礦型YAlO3。
圖2為YInO3和YAlO3的光催化活性結(jié)果。測試實(shí)驗(yàn)采用150W鹵鎢燈為可見光光源，催化劑用量為0.45克，亞甲基藍(lán)溶液濃度為23.9微摩爾/升，體積為150毫升。為了除去鹵鎢燈中的紫外光和熱效應(yīng)，在燈管外加一帶回流水的雙層耐高溫玻璃套管。每隔一段時(shí)間抽取5毫升左右的反應(yīng)靜置液，采用分光光度計(jì)測定溶液的吸光度，根據(jù)亞甲基藍(lán)的褪色速率來衡量催化劑的活性。結(jié)果表明，YInO3體系用了大約110分鐘將亞甲基藍(lán)完全降解，YAlO3體系光降解亞甲基藍(lán)時(shí)間約為90分鐘。反應(yīng)結(jié)束后加入亞甲基藍(lán)做第二次光催化活性表征，YInO3和YAlO3體系仍然只用了約110分鐘和90分鐘就將亞甲基藍(lán)完全降解，表明所合成催化劑在可見光照射下具有穩(wěn)定的光催化活性。
圖1同時(shí)列出了光催化反應(yīng)后光催化劑的XRD結(jié)果，可以看出YInO3和YAlO3在反應(yīng)前后的晶體結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生改變，這表明該催化劑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
實(shí)施例3(1)稱取5.50克Y(NO3)3、7.638克 5.0克有機(jī)燃料C2H5NO2，放入250毫升燒杯中，加入100毫升去離子水，攪拌60分鐘后，將溶液于室溫下靜置12小時(shí)；(2)取上述溶液約30毫升置于100毫升燒杯中，將燒杯置于150℃下恒溫60分鐘；(3)然后按4℃/分鐘速率緩慢升溫至350℃使容器內(nèi)的溶液充分燃燒，得到蓬松的YInO3粉體，將該粉末置于1020℃下焙燒12小時(shí)，得成品YInO3。
實(shí)施例4(1)稱取5.50克Y(NO3)3、7.502克Al(NO3)3·9H2O、5.0克有機(jī)燃料C2H5NO2，放入250毫升燒杯中，加入100毫升蒸餾水，攪拌60分鐘使其充分混合，然后將溶液于室溫下靜置18小時(shí)；(2)取上述溶液約30毫升置于100毫升燒杯中，將燒杯置于150℃下恒溫60分鐘；(3)然后按4℃/分鐘速率緩慢升溫至400℃使容器內(nèi)的溶液充分燃燒，得到蓬松的YAlO3粉體，將該粉末置于1200℃下焙燒2小時(shí)，得成品YAlO3。
權(quán)利要求
1.一種可見光響應(yīng)光催化劑，其特征在于，它是化合物YMO3，其中M為In或Al，YAlO3的結(jié)構(gòu)為鈣鈦礦型，YInO3是具有立方相的(Y0.5In0.5)2O3。
2.制備如權(quán)利要求1所述的可見光響應(yīng)光催化劑YMO3的方法，包括配料、混合及低溫燃燒合成，其特征在于，具體步驟為1)將硝酸釔、硝酸銦或者硝酸鋁、有機(jī)燃料氨基乙酸和去離子水或蒸餾水混合配成溶液，并將配好后的溶液經(jīng)攪拌使其均勻混合，后于室溫下靜置12～24小時(shí)，其中硝酸釔與硝酸銦或硝酸鋁摩爾比為1∶1，硝酸銦或硝酸鋁與氨基乙酸摩爾比為3∶10，加水量按照硝酸釔溶液濃度為0.1～0.2摩爾/升計(jì)算；2)將上述溶液緩慢升溫到300～400℃，使溶液中的有機(jī)燃料燃燒并發(fā)生合成反應(yīng)，得到納米YMO3粉體，其化學(xué)反應(yīng)式為3Y(NO3)3+3M(NO3)3+10C2H5NO2＝3YMO3+14N2↑+25H2O↑+20CO2↑；3)將上述納米粉體在1000～1200℃下焙燒1～12小時(shí)，得成品YInO3或YAlO3。
3.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述緩慢升溫到300～400℃，是先將溶液置于150～200℃下恒溫20～60分鐘，再以2～4℃/分鐘的速率緩慢升溫到300～400℃。
全文摘要
本發(fā)明涉及治理環(huán)境污染用的光催化材料及制備，也涉及低溫燃燒合成技術(shù)。該光催化劑是化合物YMO
文檔編號B01J23/08GK1970142SQ20061009758
公開日2007年5月30日 申請日期2006年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月8日
發(fā)明者高琛, 鮑駿, 丁建軍 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)