碳掺杂烧绿石型光催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳掺杂烧绿石型光催化剂及其制备方法，属于环境污染治理光催化剂领域。所述碳掺杂烧绿石型光催化剂，由以下重量份的组分制成：前驱体金属离子水合物硝酸盐10‑30份、酚醛树脂10‑40份、无水乙醇40‑320、络合剂10‑45份、分散剂15‑90份。本发明专利技术有效的提高了光催化剂的比表面积，增大了孔隙率，具有对可见光响应强、太阳能利用率高、光催化效果显著的特点。

【技术实现步骤摘要】
碳掺杂烧绿石型光催化剂及其制备方法
本专利技术涉及环境污染治理光催化剂领域，特别是指一种碳掺杂烧绿石型光催化剂及其制备方法。
技术介绍
近年来，为了应对工业污染带来的环境危机，寻求廉价高效的环境污染治理技术成为科技工作者的关注焦点。半导体光催化材料可以直接将光能转化为化学能的特性，将自然界广泛存在的太阳能转化后用于降解空气和水中的污染物，污染物彻底降解，并最终生成H2O和CO2等无机小分子。该法能处理多种污染物，适用范围广，特别是对难降解的有机物具有很好的氧化分解作用，此外，这类光催化反应还具有反应条件温和、反应设备简单、二次污染小、操作易于控制、操作成本低、可利用太阳光作为反应光源等优点。在光催化技术发展过程中，纳米TiO2作为一种具有高紫外光响应的半导体光催化材料，被认为是最具发展和应用前景的光催化剂。然而由于宽禁带半导体TiO2只能利用波长较短的紫外光，而对太阳光中可见光成分响应能力很弱，从而极大限制了TiO2光催化技术向实际应用的转化，近年来，为了提高光催化材料的可见光响应能力，元素掺杂、半导体复合以及染料敏化等表面改性技术被用于TiO2材料的改性，虽然掺杂改性可以提高其可见光响应能力，但光谱拓展能力有限，对可见光利用率仍不高。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种操作简单、低能耗、可见光响应强、光催化效果显著的碳掺杂烧绿石型光催化剂及其制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术提供技术方案如下：一方面，提供一种碳掺杂烧绿石型光催化剂，由以下重量份的组分制成：前驱体金属离子水合物硝酸盐10-30份、酚醛树脂10-40份、无水乙醇40-320份、络合剂10-45份、分散剂15-90份。进一步的，所述的碳掺杂烧绿石型光催化剂，由以下重量份的组分制成：前驱体金属离子水合物硝酸盐10-20份、酚醛树脂10-20份、无水乙醇40-120份、络合剂10-30份、分散剂15-60份。进一步的，所述前驱体金属离子为La3+和Zr4+。进一步的，所述络合剂为柠檬酸，柠檬酸作为络合剂增强了胶体网络；所述分散剂为乙二醇，采用具有表面活性的乙二醇作为分散剂，可以使含金属-氧键的胶体颗粒在溶剂中分散均匀，降低胶粒尺寸，进而降低所得粉体的颗粒大小。另一方面，还提供上述碳掺杂烧绿石型光催化剂的制备方法，包括：步骤1：将含La3+、Zr4+金属水合物硝酸盐分别缓慢加入去离子水中，持续搅拌得到前驱体溶液；步骤2：将步骤1所制备的两种前驱体溶液以一定摩尔比例混合，依次加入络合剂、分散剂，持续搅拌至混合均匀，用氨水调节溶液pH值至2.5-3；步骤3：将步骤2所制备的溶液置于60～90℃水浴锅中进行保温老化，持续1～6h，得到湿凝胶：步骤4：将步骤3所得到的湿凝胶在100～200℃下干燥，干燥时间为6～12h，得到干凝胶；步骤5：将酚醛树脂以一定比例溶于无水乙醇中，在60～70℃水浴锅中持续搅拌30～60min使之完全溶解；步骤6：将步骤5得到的酚醛树脂溶液倒入步骤4制得的干凝胶，搅拌，混合均匀；步骤7：在氮气保护下，将步骤6中所得的混合凝胶置于微波炉，升温至400～600℃并保温2-3h，随炉降温，即得到碳掺杂的锆酸镧La2Zr2O7烧绿石型光催化剂。烧绿石型复合氧化物是一种具有结构稳定、熔点高和离子导电性强等优点的复合型半导体光催化剂，其结构是一种开放式结构，可以通过其他离子的掺杂，为氧原子、质子和电子的迁移提供空穴，从而提高电子导电能力。在烧绿石锆酸镧(La2Zr2O7)的制备过程中，掺入含碳量高的有机高分子聚合物(线型酚醛树脂)，增大其比表面积，将污染物快速吸附在催化剂表面，提高光生电子和空穴在催化剂体内和表面的迁移速率，并有效抑制两者的复合，从而显著提高了烧绿石的光催化效果，在可见光范围响应尤其强烈，提高太阳能利用率，大大节省能源，是一种新型的光催化剂。其中，所述步骤1中，含Zr4+金属水合物硝酸盐为Zr(NO3)4·5H2O，含La3+金属水合物硝酸盐为La(NO3)3·6H2O。其中，所述步骤2中，含Zr4+与含La3+前驱体溶液的摩尔比为1：1～1：1.2；前驱体混合溶液与络合剂的摩尔比为1：1～1：1.5；分散剂与络合剂的摩尔比为1.5：1～2：1。其中，所述步骤4中，将湿凝胶置于烘箱中125℃干燥，保温时间6h。其中，所述步骤5中，酚醛树脂与无水乙醇的质量比为1：4～1：8，优选酚醛树脂与无水乙醇的质量比为1：4～1：6。其中，所述步骤7中，在氮气保护下，将混合的凝胶置于微波炉在500℃高温焙烧2h。常规烧绿石的煅烧温度需要高达1000℃，本专利技术巧妙的采用微波炉煅烧，在氮气保护下，避免了烧绿石在空气中高温被氧化，且有效的降低了烧绿石的煅烧温度，在500℃即可制备得到比表面积大、孔隙率高、微孔比较多的光催化剂。本专利技术具有以下有益效果：(1)通过引入活性炭，有效提高原有光催化剂比表面积，增大孔隙率，而且活性炭端面碳原子的自由原子价具有很高反应性，易与其他元素反应形成支配表面化学结构的化学键，因此其表面含有大量活性基团，大大增强了催化剂的吸附能力，同时提高光生电子和光生空穴在表面的迁移速率，使污染物大量并迅速被富集于催化剂表面得到降解，活性炭的掺入还有效地抑制了两者之间的复合，改善了目前所研究的提高光催化剂活性所需要解决的重要问题；(2)本专利技术是一种改进的溶胶凝胶制备方法，与传统的溶胶凝胶法相比，所用前驱体比金属醇盐成本大大降低，柠檬酸作为络合剂增强了胶体网络，采用具有表面活性的乙二醇作为分散剂，可以使含金属-氧键的胶体颗粒在溶剂中分散均匀，降低胶粒尺寸，进而降低所得粉体的颗粒大小；(3)本专利技术采用的微波辅助一步法制备，不仅有效将烧绿石和酚醛树脂混合固定，具有对可见光和紫外光同时响应、禁带窄、太阳能利用率高、光催化效果强的优点，而且操作简便，条件简单易行，适用于工业行业大量生产。附图说明图1为本专利技术对比例1及实施例4制备的烧绿石La2Zr2O7和碳掺杂烧绿石La2Zr2O7光催化剂的吸脱附等温线谱图；图2为本专利技术对比例1及实施例4制备的烧绿石La2Zr2O7和碳掺杂烧绿石La2Zr2O7光催化剂的孔径分布图；图3为本专利技术对比例1及实施例4制备的烧绿石La2Zr2O7和碳掺杂烧绿石La2Zr2O7光催化剂的FTIR谱图；图4为本专利技术对比例1及实施例4制备的烧绿石La2Zr2O7和碳掺杂烧绿石La2Zr2O7光催化剂的XRD谱图；图5为本专利技术对比例1及实施例4制备的烧绿石La2Zr2O7(左)和碳掺杂烧绿石La2Zr2O7(右)光催化剂的SEM图像；图6为本专利技术对比例1及实施例4制备的烧绿石La2Zr2O7(左)和碳掺杂烧绿石La2Zr2O7(右)光催化剂的TEM图像。具体实施方式为使本专利技术要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。本专利技术针对现有技术中现有光催化剂禁带宽、可见光响应弱、太阳能利用率低且制备掺杂型催化剂工序复杂、焙烧温度高、条件难以控制等不足的问题，提供一种碳掺杂烧绿石型光催化剂及其制备方法。实施例1碳掺杂烧绿石型光催化剂，由以下重量份的组分制成：Zr(NO3)4·5H2O5份、La(NO3)3·6H2O5份、酚醛树脂10份、无水乙醇80份、柠檬酸10份、乙二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳掺杂烧绿石型光催化剂，其特征在于，由以下重量份的组分制成：前驱体金属离子水合物硝酸盐10‑30份、酚醛树脂10‑40份、无水乙醇40‑320份、络合剂10‑45份、分散剂15‑90份。

【技术特征摘要】
1.一种碳掺杂烧绿石型光催化剂，其特征在于，由以下重量份的组分制成：前驱体金属离子水合物硝酸盐10-30份、酚醛树脂10-40份、无水乙醇40-320份、络合剂10-45份、分散剂15-90份。2.根据权利要求1所述的碳掺杂烧绿石型光催化剂，其特征在于，由以下重量份的组分制成：前驱体金属离子水合物硝酸盐10-20份、酚醛树脂10-20份、无水乙醇40-120份、络合剂10-30份、分散剂15-60份。3.根据权利要求1或2所述的碳掺杂烧绿石型光催化剂，其特征在于，所述前驱体金属离子为La3+和Zr4+。4.根据权利要求1或2所述的碳掺杂烧绿石型光催化剂，其特征在于，所述络合剂为柠檬酸；所述分散剂为乙二醇。5.权利要求1-4任一所述的碳掺杂烧绿石型光催化剂的制备方法，其特征在于，包括：步骤1：将含La3+、Zr4+金属水合物硝酸盐分别加入去离子水中，持续搅拌得到前驱体溶液；步骤2：将步骤1所制备的两种前驱体溶液以一定摩尔比例混合，依次加入络合剂、分散剂，持续搅拌至混合均匀，用氨水调节溶液pH值至2.5-3；步骤3：将步骤2所制备的溶液置于60～90℃水浴锅中进行保温老化，持续1～6h，得到湿凝胶；步骤4：将步骤3所得到的湿凝胶在100～200℃下干燥，干燥时间为6～12h，得到干凝胶；步骤5：将酚醛树脂以一定比...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄理辉，吴雪媛，刘高风，刘扬扬，王闯，董桂花，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37