Y3-xNdxNbO7-沸石复合多孔纳米催化材料的制备及应用制造技术

新型纳米结构材料，Y3-xNdxNbO7(0.5≤x≤1)粒径为0.15～0.3微米，Y3-xNdxNbO7(0.5≤x≤1)、Y3-xNdxNbO7(0.5≤x≤1)-沸石复合材料粒径为0.2～0.4微米，及Y3-xNdxNbO7(0.5≤x≤1)/氢桥混配物复合修饰光电极。新型催化材料的应用，利用Y3-xNdxNbO7(0.5≤x≤1)、Y3-xNdxNbO7(0.5≤x≤1)-沸石复合材料作为光催化剂，在可见光条件下降解被污染水体中有机污染物(包括辛硫磷(C12H15N2O3PS))、亚甲基兰(C16H18ClN3S)、磺胺甲恶唑(C10H11N3O3S)等，光源为氙灯，采用截止滤光片(λ＞420nm)；在可见光或紫外光条件下分解水制氢，催化剂粉末表面或分别负载Pt、NiO和RuO2辅助催化剂，光源为氙灯或高压汞灯，采用截止滤光片(λ＞420nm或λ＞390nm)。催化剂粉末均匀分布在水溶液内，整个光照反应在密闭不透光的环境下进行。

【技术实现步骤摘要】
Y3-xNdxNbO7-沸石复合多孔纳米催化材料的制备及应用
本专利技术涉及两种新型光催化剂及一种新型光电极、制备及应用，尤其粉末催化材料Y3-xNdxNbO7(0.5≤x≤1)、Y3-xNdxNbO7(0.5≤x≤1)-沸石复合多孔纳米催化材料及Y3-xNdxNbO7(0.5≤x≤1)/氢桥混配物复合修饰光电极，制备工艺，经光催化去除水体中的有机污染物的应用，及光催化分解水制取氢气的应用。
技术介绍
近些年来，随着经济的发展，印染废水、农药、化工制药等大量排入河流、湖泊等水域，由此引发的有毒有机污染物污染环境问题已成为国际上十关注的重大问题。目前，人们普遍用生化法处理来处理有机废水。但对于有毒有机污染物污染的水体，传统的方法对其几乎没有去除效果，因为水中的亚甲基兰、磺胺甲恶唑、微囊藻毒素、毒死蜱和甲基对硫磷等难降解污染物会抑制生物活性，破坏生化处理系统的稳定性。对于以上用常规方法很难去除的污染物，国际上最受关注的、应用潜力最大的是光照射下的光催化技术(常采用的光催化剂为TiO2半导体)。近年来全球规模的能源、环境问题越来越突出。化石燃料的大量燃烧所产生的二氧化碳、氮氧化合物、硫氧化合物已经造成了严重的环境污染问题，而同时化石资源的枯竭也导致了能源危机，为了缓解环境污染问题及应对能源危机，氢气作为洁净能源引起世界关注。但是，目前氢能的生产还主要是依靠煤、天然气的重整来获得，这必然会加剧非可再生能源的消耗并且带来环境污染问题。而利用光催化的水分解则是直接将光能转化为氢能，是从根本上解决能源及环境污染问题的理想途径之一，被称为“21世纪梦的技术”，受到了国内外科学家的高度关注。目前光催化领域存在的两个艰难挑战是如何实现可见光响应和光量子效率提高问题。催化剂的开发有2种实现方法：第一种是掺杂阴离子或阳离子以改变TiO2性质，开发带隙接近理想催化剂带隙的新种类半导体。第二种是开发新种类的催化剂。二氧化钛是最常用的，因为他的化学性质稳定，而且无毒无害，价格低廉；缺点是二氧化钛的禁带太宽，导致可见光激发其价带电子跃迁困难，虽然通过掺杂可以达到可见光响应，但是效率比较低。此外，TiO2光生电子和空穴复合几率很高，导致其光催化效率较低。因此，研究者也开始开发新种类的催化剂，并取得了一系列显著成果：CaBi2O4是降解乙醛和亚甲基蓝效果很好；用Pt贵金属修饰的BiOCl介孔纳米结构能够抑制二次污染物甲醛的产生；具有介孔结构的CeO2-Bi2O3复合纳米光催化剂能够有效降解染料中的罗丹明B；李灿课题组制备了尖晶石结构化合物ZnIn2S4，该材料能吸收可见光并分解Na2S-Na2SO3水溶液放出氢气；Domen课题组开发的Gal-xZnxOl-xNx材料，通过担载助催化剂Rh2-xCrxO3在420nm处获得59％的量子效率，这充分显示了太阳能光催化制氢令人瞩目的发展潜力。多元氧化物是一类具有丰富组成和结构的新型窄带隙光催化材料，有较大的研究和发展价值，化合物AxByO7就是近年来研究的热点之一。AxByO7是一种开放式结构，可以通过其他离子的掺杂，为氧原子、质子或电子的迁移提供空穴，或增大空穴浓度，从而为开发出可见光响应型催化剂提供了一个可能。经前人研究，用金属例子掺杂的该类光催化剂具有潜在的降解污染物和光解水制氢能力。目前普遍采用固相法对AxByO7系列的结构材料进行合成，即将金属氧化物作为原材料，经高温煅烧而成。但是由于固相合成反应温度高、时间长、生成的粉末不均匀，因此逐步被水热法、溶胶凝胶法所取代。然而上述方法所得的AxByO7粉体存在分散性、粒度分布性能较差问题，这极大地影响了该类材料的光催化性能。因此，寻找合适的元素掺杂、优化其及相关的纳米复合材料的制备方法及工艺成为了开发可见光响应光催化剂的一个有效途径。在纳米催化材料的制备过程中，我们发现，用钕、钇和铌掺杂的该类催化剂具有良好的催化性能，因此本项目旨在通过研究含钕、钇和铌类AxByO7新型纳米催化材料及其制备技术，来深度挖掘它们的可见光光催化降解有机污染解和光解水制取氢气的能力。不但能产生显著的经济效益，而且还能产生巨大的环境效益和社会效益。
技术实现思路
本专利技术的目的是：提出两种粉末催化材料Y3-xNdxNbO7(0.5≤x≤1)及制备工艺路线及方法、性能表征及应用。以及提出一种Y3-xNdxNbO7(0.5≤x≤1)-沸石复合多孔纳米催化材料及Y3-xNdxNbO7(0.5≤x≤1)新型光电极的制备工艺、性能表征及应用。本专利技术的技术方案是：粉末催化材料Y3-xNdxNbO7(0.5≤x≤1)的制备，采用盐助溶液燃烧法和液相催化相转化法，粉末的粒径为0.15～0.3微米。Y3-xNdxNbO7(0.5≤x≤1)-沸石复合材料的制备，沸石粒径为0.5～3微米，Y3-xNdxNbO7(0.5≤x≤1)-沸石复合材料包裹后粒径0.2～0.4微米。Y3-xNdxNbO7(0.5≤x≤1)/氢桥混配物复合修饰光电极的制备，Y2NdNbO7光电极的光电转化效率为8.55％。粉末催化材料的应用，通过Y3-xNdxNbO7(0.5≤x≤1)粉末为催化剂，降解废水中的亚甲基兰(Cl6H18ClN3S)、磺胺甲恶唑(C10H11N3O3S)、辛硫磷。光源为氙灯，配上截止滤光片(λ＞420nm)。实验过程中，用磁力搅拌器和充氧曝气的方式维持催化剂粉末呈悬浮状态。整个光照反应在密闭不透光的环境下进行。Y3-xNdxNbO7(0.5≤x≤1)-沸石复合材料的应用，Y3-xNdxNbO7(0.5x≤1)粉末为催化剂，降解废水中的亚甲基兰(Cl6H18ClN3S)、磺胺甲恶唑(C10H11N3O3S)、辛硫磷。光源为氙灯，配上截止滤光片(λ＞420nm)。实验过程中，用磁力搅拌器和充氧曝气的方式维持催化剂粉末呈悬浮状态。整个光照反应在密闭不透光的环境下进行。1、新型纳米材料Y3-xNdxNbO7(0.5≤x≤1)的制备方法：其特征是采用盐助溶液燃烧法：a.试剂准备：所用试剂主要有Y(NO3)3·6H2O(AR)、NdCl3(AR)、NbCl5(AR)、甘氨酸(AR)、KCI(AR)、去离子水(AR)等。b.仪器准备：电子天平、磁控温加热器、马弗炉、干燥箱等。c.催化剂材料的制备：按Y3-xNdxNbO7(0.5≤x≤1)分子式中的原子摩尔比即(3-x)∶x∶1，用电子天平分别称取适量的Y(NO3)3·6H2O、NdCl3、NbCl5，放进研钵中研磨均匀，直至研磨粒径达3～5微米，然后将细粉粒转移到石英烧杯中，加入一定量的去离子水使药品溶解，再加入化学计量比的甘氨酸和KCI，形成混合溶液。将石英烧杯放置于磁控温加热器上，于60℃下进行加热，反应3±lh后，溶液温度逐渐升至110℃左右，在此过程中，溶液逐渐变得透明并被蒸发。上述溶液蒸发完全后所得粘稠液体会发生膨胀.紧接着释放出气体。迅速发生自蔓延溶液燃烧反应，生成疏松的粉体，将燃烧所得粉体放入马福炉中煅烧3～4h，冷却。然后将样品用蒸馏水洗涤3次，再用无水乙醇洗涤2次，放入干燥箱中干燥，干燥箱温度设置为60℃，取出样品研磨装袋，即得最终产物。新型纳米材料Y3-xNdxNbO7(0.5≤x≤1)的制备方法：其特征是采用液相催化相转化法本文档来自技高网...

【技术保护点】
粉末催化材料，其特征是用如下的结构式：Y3‑xNdxNbO7(0.5≤x≤1)，粉末的粒径为0.15～0.40微米。

【技术特征摘要】
1.粉末催化材料，其特征是用如下的结构式：Y3-xNdxNbO7，其中0.5≤x≤1，粉末的粒径为0.15～0.40微米；粉末催化材料Y3-xNdxNbO7的制备方法如下：(1)采用盐助溶液燃烧法制备Y3-xNdxNbO7光催化粉末材料，其中0.5≤x≤1：a.以Y(NO3)3·6H2O、NdCl3、NbCl5为原材料，其中所用原料试剂分析等级均为分析纯级，将Y、Nd和Nb以所述分子式的原子摩尔比(3-x)∶x∶1的Y(NO3)3·6H2O、NdCl3、NbCl5，其中0.5≤x≤1，经研磨后转移至石英烧杯中，加入一定量的去离子水使药品溶解，再加入化学计量比的甘氨酸和KCI，形成混合溶液；b.将上述盛有混合溶液的石英烧杯放置于磁控温加热器上；于60℃下进行加热，反应3±1h后，溶液温度逐渐升至110℃，在此过程中，溶液逐渐变得透明并被蒸发；上述溶液蒸发完全后所得粘稠液体会发生膨胀；紧接着释放出气体，迅速发生自蔓延溶液燃烧反应，生成疏松的粉体，将燃烧所得粉体放入马福炉中煅烧3～4h，冷却；然后将样品用蒸馏水洗涤3次，再用无水乙醇洗涤2次，放入干燥箱中干燥，干燥箱温度设置为60℃，取出样品研磨装袋，即得最终产物；(2)采用液相催化相转化法制备Y3-xNdxNbO7光催化粉末材料，其中0.5≤x≤1：a.按Y3-xNdxNbO7分子式的原子摩尔比取试剂分析等级均为分析纯的原材料Y(NO3)3·6H2O、NdCl3、NbCl5进行研磨，即Y、Nd和Nb的摩尔比为(3-x)∶x∶1，其中0.5≤x≤1，将研磨后的细粉粒转移到石英烧杯中，加入一定量的去离子水使药品溶解，制得钇钕铌混合溶50mL；b.用电子天平称取NaOH6.00g，FeCl2·4H2O4.98g，用去离子水溶解，各得3mol/LNaOH溶液50mL、0.5mol/LFeCl2溶液50mL；c.用上述制得的NaOH溶液调节钇钕铌混合溶体系的pH值至9.5～10.5，加入1.0mol/L的FeCl2溶液作为催化剂，Fe2+与Fe3+的物质量的比为0.02∶1；再细心调节体系的pH值至9.5～10.5，然后沸腾回流2h，然后对其进行离心分离、再用去离子水洗涤4～5次，最后将所得到的Y3-xNdxNbO7纳米粒子，其中0.5≤x≤1，分散在去离子水中备用，分散液的固含量为40～55g/L。2.复合多孔纳米结构的催化材料，Y3-xNdxNbO7-沸石复合多孔纳米催化材料，其中0.5≤x≤1；Y3-xNdxNbO7-沸石纳米复合材料采用水解共沉淀法制备：a.沸石悬浮液的制备：首先，将沸石研碎过筛，并称取5g过筛后的细颗粒沸石，加入到50g水中浸泡过夜后，磁力搅拌2h，制得10％的矿浆，于其中加入0.15g的焦磷酸钠，以450r/min的速率机械搅拌0.5h，静置2h后倾析出上层悬浮液备用；b.钇钕铌混合溶液制备：按Y3-xNdxNbO7，其中0.5≤x≤1，其分子式的原子摩尔比即(3-x)∶x∶1，其中0.5≤x≤1，用电子天平分别称取适量的Y(NO3)3·6H2O、NdCl3、NbCl5制成混合溶液50mL，得0.1mol/L钇钕铌混合溶液备用，其中所用试剂分析等级均为分析纯级；c.Y3-xNdxNbO7-沸石纳米复合材料的制备，其中0.5≤x≤1：取沸石悬浮液50mL在水浴锅中加热搅拌至85℃，分别用10％硫酸调节p...

【专利技术属性】
技术研发人员：栾景飞，李妍妍，胡文华，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32