CATON型可见光全解水催化剂的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种CATON型可见光全解水催化剂的制备方法，系将可溶性钙盐、可溶性铝盐、可溶性钽盐及燃烧辅助剂在甲醇水混合溶液中充分溶解后，在马弗炉中程序升温并发生燃烧反应，在高温阶段保持一定时间，自然冷却后形成前驱物，然后将所述前驱物进行氮化高温处理后得到CATON钙钛矿型氮氧化物粉体。以CATON为主催化剂，光照搅拌后先负载助催化剂，再包覆氮气抑制剂，即制成可见光响应的全解水催化剂。本发明专利技术具有高效稳定、环境友好、原料易得、催化全解水效率高等优点，并且具有可见光催化活性，能充分转化利用太阳能，易于应用推广。

【技术实现步骤摘要】
CATON型可见光全解水催化剂的制备方法
本专利技术属于无机非金属材料的制备
，具体地说是涉及一种CATON型可见光全解水催化剂的制备方法。
技术介绍
随着全球人口的不断增长和对生活期望的提高，如果社会继续以现有方式使用能源，科学家们估计到2050年全世界的总能量消耗将翻一番以上。化石燃料是一种不可持续的资源，我们必须打破对它的依赖。其中，太阳能是最有潜力的替换能源。面临的挑战是：如何能使对太阳能的利用达到所需的规模。光催化全解水(photocatalyticoverallwatersplitting)是光催化领域中的热点研究课题。通常采用溶于溶液中的纳米结构光催化剂颗粒，在溶液中通过与这些颗粒的接触，发生一系列的化学催化反应，最终完全分解水生成氢和氧。此方法区别于采用分立的涂敷催化剂的电极来制氢和氧的常用方法。光催化全解水的最主要优点在于其使用的光催化材料比光电化学(PEC)电池所要求的材料更便宜。因此，广泛、规模使用时更可以承受得起，工业化前景更乐观。在众多的半导体光催化剂中，TiO2因其化学性质稳定、催化活性高、无毒、价格低廉等优点，在降解污染物和消毒系统的应用领域中被认为是最具有开发前景的光催化材料。但是，TiO2的禁带宽度(3.2eV)较宽，吸收波长主要集中在紫外光区(<387nm)。在到达地面的太阳能中，这个波段的能量不足5%，而可见光部分的比例却占到了太阳能的45%左右，因此TiO2的光催化性能对太阳能的利用效率较低。此外，由于其光生电子和空穴的复合几率较高，导致量子效率较低，从而限制了TiO2光催化剂在实际中的应用。如何提高光催化效率并且能有效吸收可见光是光催化领域研究的焦点问题。光催化全解水关键的挑战之一是大部分光催化材料只有在用紫外光活化下才有活性，而对可见光则没有活性。钙钛矿结构的过渡金属氮氧化物（比如基于铌和钽的半导体材料）作为一种新型高效可见光的光催化剂也越来越得到人们的重视。由于氮原子参与能带结构的形成，使得禁带宽度变窄，可以作为可见光响应的半导体光催化剂（Kudo,A.;Miseki,Y.,Heterogeneousphotocatalystmaterialsforwatersplitting.ChemSocRev,2009,38(1):253-278）。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种可见光全解水催化材料的制备方法，以解决目前可见光全光解水效率低、利用太阳能不充分的问题。本专利技术通过利用燃烧辅助剂，实现了低温固相煅烧制取CATON粉体的工艺过程。通过多组对比试验，发现了助催化剂和氮气抑制剂在全解水反应中起着重要作用。本专利技术制备方法同样可以应用于和CATON相似的光解水催化材料的化学合成研究，且具有广阔的应用前景。为达到上述目的，本专利技术是这样实现的。一种CATON型可见光全解水催化剂的制备方法，系将可溶性钙盐、可溶性铝盐、可溶性钽盐及燃烧辅助剂在甲醇水混合溶液中充分溶解后，直接在马弗炉中程序升温发生燃烧反应，并在高温阶段保持一定时间，自然冷却后形成前驱物，然后将所述前驱物进行氮化高温处理后，得到CaAl1/4Ta3/4O5/2N1/2钙钛矿型（ABX3）氮氧化物固溶体，可以认为是50%的CaTaO2N和50%的CaAl1/2Ta1/2O3所形成的固溶体材料，缩写为CATON；以CaAl1/4Ta3/4O5/2N1/2主催化剂，光照搅拌后，先负载助催化剂，再包覆氮气抑制剂，即制成目的产物。作为一种优选方案，本专利技术将可溶性钙盐、可溶性铝盐、可溶性钽盐及燃烧辅助剂的摩尔比为4：1：3：20～200。进一步地，本专利技术所述可溶性钙盐为氯化钙或硝酸钙中的一种或其混合物。进一步地，本专利技术所述可溶性铝盐为氯化铝或硝酸铝中的一种或其混合物。进一步地，本专利技术所述可溶性钽盐为五氯化钽或五乙氧基钽中的一种或其混合物。进一步地，本专利技术所述燃烧辅助剂为尿素或柠檬酸中的一种或其混合物。进一步地，所述的马弗炉中程序升温的升温速率范围在5～20℃/min；所述的高温阶段的温度为600～900℃；保持时间范围为2～12h；所述氮化高温处理温度在800～1000℃，反应时间为4～24h。进一步地，本专利技术所述的光照搅拌的光源为300W氙灯，搅拌速度1000转/分，光照搅拌时间24小时。进一步地，本专利技术所述的助催化剂为金属氧化物RhCrCoOx的混合物，负载量为主催化剂质量的0.1～5%。进一步地，本专利技术所述的氮气抑制剂为TiO2，负载量为主催化剂质量的0.5～10%。与现有技术相比，本专利技术具有如下特点。（1）本专利技术工艺路线简单，制备成本低，操作容易控制，具有较高的生产效率。（2）本专利技术制备的目的产物CATON型可见光全解水催化剂，其纯度高，分散性好，全解水效率高，可满足光催化领域对可见光响应的光催化材料的要求。（3）本专利技术目的产物属全解水催化剂，光照下在纯水中（无任何牺牲剂）能够同时分解水生成氢气和氧气，并且摩尔比是2:1。（4）本专利技术通过利用燃烧辅助剂，实现了低温固相煅烧制取CATON粉体的工艺过程，从而节省了大量能源。（5）本专利技术制备的CaAl1/4Ta3/4O5/2N1/2（CATON）的ABX3型固溶体材料，A位置的组成为Ca；B位置的组成为Al1/4Ta3/4；X3位置的组成为O5/2N1/2是禁带宽度约为2.45eV的光催化剂材料。其中B位置Al和Ta离子半径的不同，使得固溶体材料的偶极矩产生变化，有利于光生电子和空穴的分离。（6）本专利技术的光照搅拌工艺过程能够有效改变主催化剂表面的电荷状态，使得主催化剂和助剂能有效的结合，是提高催化剂性能的关键工艺过程。（7）本专利技术目的产物当中的助催化剂能够有效的促进光生电子和空穴的分离，从而提高光催化全解水的效率。氮气抑制剂能够有效的抑制副反应的发生，抑制了氮气的产生，提高了催化剂的稳定性。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步说明。本专利技术的保护范围不仅局限于下列内容的表述。图1为本专利技术所制备的CATON粉体的SEM图。图2为本专利技术所制备的CATON粉体的SEM图。图3为本专利技术所制备的CATON粉体的SEM图。图4为本专利技术所制备的CATON粉体的SEM图。图5为本专利技术所制备的CATON粉体的X射线衍射图。图6为本专利技术所制备的CATON粉体的红外光谱图。图7为本专利技术所制备的CATON粉体的紫外可见光谱图。图8为本专利技术所制备的CATON粉体的禁带宽度图。图9-11为本专利技术所制备的CATON型可见光全解水催化剂的催化活性表征图。具体实施方式本专利技术以可溶性钙盐、铝盐、钽盐和不同燃烧辅助剂为原料。原料按照一定的摩尔配比，在甲醇水混合溶液（体积比1:1）中充分溶解后，直接在马弗炉中程序升温发生燃烧反应，并在高温阶段保持一定时间，自然冷却后形成前驱物，然后将前驱物在氨气下氮化高温处理后得到CATON粉体。以CATON为主催化剂，光照搅拌后，先负载助催化剂，再包覆氮气抑制剂，即制成目的产物CATON型可见光全解水催化剂（可见光响应的光解水催化剂）。其制备步骤是。（1）将可溶性钙盐、可溶性铝盐、可溶性钽盐和不同燃烧辅助剂按照一定的摩尔比称量后，放入在甲醇水混合溶液（体积比1:1）中充分溶解。（2）将上述溶液，直接在马弗炉中发生燃烧反应，马弗炉中程序升温本文档来自技高网...

【技术保护点】
CATON型可见光全解水催化剂的制备方法，其特征在于，将可溶性钙盐、可溶性铝盐、可溶性钽盐及燃烧辅助剂在甲醇水混合溶液中充分溶解后，直接在马弗炉中程序升温发生燃烧反应，并在高温阶段保持一定时间，自然冷却后形成前驱物，然后将所述前驱物进行氮化高温处理后，得到CaAl1/4Ta3/4O5/2N1/2钙钛矿型氮氧化物固溶体；以CaAl1/4Ta3/4O5/2N1/2为主催化剂，光照搅拌后，依次分别负载助催化剂和包覆氮气抑制剂，即制成目的产物。

【技术特征摘要】
1.一种CATON型可见光全解水催化剂的制备方法，其特征在于，将氯化钙、氯化铝、五氯化钽和尿素按照摩尔比为4：1：3：200，准确称量后放入醇水体积比1：1甲醇水溶液中搅拌溶解；将上述的混合物装入大坩埚中后直接放入马弗炉中，程序升温的升温速率为10℃/min，高温设定温度600℃，高温阶段保持时间为12h，自然冷却后，即得前驱物；将前驱物在氨气氛围下氮化处理，氮化温度为800℃，时间为24小时，冷却后，即得CATON粉体；其产品纯度不低于99.79%，杂质含量：碳小于0.05%；氯小于0.13%；以CATON为主催化剂，用300W氙灯光照搅拌速度1000转/分搅拌24小时后，先负载助催化剂RhCrCoOx的混合物，负载量为主催化剂质量的2.0wt%，再包覆氮气抑制剂TiO2，负载量为主催化剂质量的3.0wt%，即制成CATON型可见光全解水催化剂；在纯水中，以300w的氙灯为光源，光催化产氢的效率为3.2μmol/h，光催化产氧的效率为1.6μmol/h，产氢和产氧的摩尔比为2:1。2.一种CATON型可见光全解水催化剂的制备方法，其特征在于，将硝酸钙、硝酸铝、五乙氧基钽和柠檬酸按照摩尔比为4：1：3：50，准确称量后放入醇水体积比1：1甲醇水溶液中搅拌溶解；将上述的混合物装入大坩埚中后直接放入马弗炉中，程序升温的升温速率为10℃/min，高温设定温度800℃，高温阶段保持时间为10h，自然冷却后，即得前驱物；将前驱物在氨气氛围下氮化处理，氮化温度为850℃，时间为6小时，冷却后，即得CATON粉体；其产品纯度不低于99.91%，杂质含量：碳小于0.05%；氯小于0.02%；以CATON为主催化剂，用300W氙灯光照搅拌速度1000转/分搅拌24小时后，先负载助催化剂RhCrCoOx的混合物，负载量为主催化剂质量的1.5wt%，再包覆氮气抑制剂TiO2的混合物，负载量为主催化剂质量的3.0wt%，即制成CATON型可见光全解水催化剂；在纯水中，以300w的氙灯为光源，光催化产氢的效率为2.5μmol/h，光催化产氧的效率为1.3μmol/h，产氢和产氧的摩尔比为2:1。3.一种CATON型可见光全解水催化剂的制备方法，其特征在于，将硝酸钙、硝酸铝、五氯化钽和柠檬酸按照摩尔比为4：1：3：50，准确称量后放入醇水体积比1：1甲醇水溶液中搅拌溶解；将上述的混合物装入大坩埚中后直接放入马弗炉中，程序升温的升温速率为10℃/min，高温设定温度900℃，高温阶段保持时间为4h，自然冷却后，即得前驱物；将前驱物在氨气氛围下氮化处理，氮化温度为850℃，时间为7小时，冷却后，即得CATON粉...

【专利技术属性】
技术研发人员：许家胜，张杰，
申请(专利权)人：渤海大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21