一种钒酸铟-铁酸锌复合材料及其制备和在光催化中的应用制造技术

本发明专利技术涉及光催化剂材料领域，具体涉及一种钒酸铟‑铁酸锌复合材料，包括钒酸铟颗粒以及复合在钒酸铟颗粒上的铁酸锌纳米颗粒。本发明专利技术还公开了一种所述的钒酸铟‑铁酸锌复合材料的制备方法，通过二段水热法均匀修饰在所述钒酸铟颗粒表面，为钒酸铟提供了更大的表面积和更多的光催化反应活性中心。钒酸铟与铁酸锌的能带位置能够良好匹配，有助于异质结构的形成，促进光生载流子分离效率，提高光催化析氢性能。本发明专利技术涉及的制备方法通过控制表面活性剂的种类可以有效控制合成不同形貌的钒酸铟颗粒，具有步骤简单，反应温和等特点，因此在光催化领域具有较好的应用前景。

An indium vanadate zinc ferrite composite material and its preparation and application in photocatalysis

The present invention relates to the field of photocatalyst material, in particular to an indium vanadate zinc ferrite composite, including indium vanadate particles and zinc ferrite nanoparticles composite on indium vanadate particles. The invention also discloses a preparation method of the zinc vanadate zinc ferrite composite material, which is uniformly modified on the surface of the indium vanadate particles by two stages of hydrothermal method, providing a larger surface area and more photocatalytic reactive center for indium vanadate. Indium vanadate can be well matched with the band position of zinc ferrite, which can help the formation of heterostructure, promote the separation efficiency of light carrier and improve the performance of photocatalytic hydrogen evolution. The preparation method of the invention can effectively control the synthesis of different morphologies of indium vanadate by controlling the species of surfactant. It has the characteristics of simple steps, mild reaction and so on. Therefore, it has a good application prospect in the field of photocatalysis.

【技术实现步骤摘要】
一种钒酸铟-铁酸锌复合材料及其制备和在光催化中的应用
本专利技术属于复合光催化材料的合成
，具体涉及一种钒酸铟-铁酸锌复合光催化材料及其制备方法与在光催化产氢中的应用。
技术介绍
能源是人类社会生产和发展的基础，能源安全是关乎国家经济发展和社会稳定的重大战略问题。众所周知化石燃料储量有限，而经济的高速发展带来的能源的快速消耗最终会使这些有限的资源消耗殆尽。而且燃烧化石燃料释放的大量的二氧化碳会引起温室效应、环境污染等严重的全球性问题。于是寻找清洁的可再生能源成为了时间各国高度关注的焦点。而氢能具有高燃烧值、燃烧产物对环境无污染等优点。而太阳能由于其丰富、清洁、可再生等优点，在未来的新能源开法中将占据举足轻重的地位，以太阳能为原料，利用半导体光催化剂将太阳能转化为氢能是最为理想和最有前途的氢能开发手段之一，具有着非常重要的社会和经济意义。自Ye(YeJEt.al.ChemPhysLett，2002，356(3-4)：221)等报道了钒酸铟半导体材料能够在可见光照射下催化纯水分解制取氢气以来，钒酸铟由于其氧化还原电位适宜(HuB等人测定导带对应电位-0.33V，价带对应电位2.78V(HuB，et.al.ACSappliedmaterials&interfaces，2015，7(33)：18247-18256.MLA))，无毒性等特点被广泛应用于光催化领域。然而钒酸铟在光催化过程中产生的光生电子空穴对很容易复合，大大降低了其光催化效应，严重制约了钒酸铟的进一步发展。铁酸锌由于禁带宽度小(1.92eV)，对光的利用范围可扩充至可见光区域，而且其成本低廉，稳定性高，对环境友好，自身的磁性使其便于回收，因此在光催化领域展现出了良好的应用前景。ZhangF等人通过实验测定铁酸锌导带对应氧化还原电位为-0.38V(ZhangF，etal.ACSSustainableChemistry&Engineering，2016，4(9)：4554-4562.)；但到目前为止，将钒酸铟和铁酸锌结合制备复合材料的研究还没有报道。研究内容本专利技术的解决的技术问题，本专利技术第一目的在于，提供了一种钒酸铟(IVO)-铁酸锌(ZFO)复合材料(本专利技术也简称为复合材料)。本专利技术的第二目的在于，提供一种钒酸铟-铁酸锌复合材料的制备方法。本专利技术的第三目的在于，提供一种钒酸铟-铁酸锌复合材料作为光催化剂方面的应用。一种钒酸铟-铁酸锌复合材料，包括钒酸铟颗粒以及复合在钒酸铟颗粒上的铁酸锌纳米颗粒。本专利技术所述的复合材料，通过将铁酸锌纳米粒子均匀修饰在所述钒酸铟颗粒表面，为复合材料提供了更大的表面积和更多的光催化反应活性中心。铁酸锌与钒酸铟的能带位置能够良好匹配，有助于type-II型异质结构的形成，促进光生载流子分离效率，提高光催化析氢性能。而且能够用磁铁直接进行回收，为材料的回收利用提供了极大的方便。本专利技术所述的材料，在钒酸铟表面原位修饰有铁酸锌纳米颗粒，该材料相比于钒酸铟和铁酸锌的物理混合料，具有更优异的性能。作为优选，所述铁酸锌纳米颗粒粒径为10-500nm。本专利技术所述的钒酸铟颗粒优选为由纳米级的钒酸铟纳米颗粒组装成的二次颗粒。所述的钒酸铟纳米颗粒的粒径优选为50-100nm。所述的钒酸铟颗粒优选具有不同形貌，作为优选，所述的所述钒酸铟颗粒为球状、片状、棒状或多面体中一种。作为优选，所述钒酸铟颗粒尺寸为100nm-2μm。例如，球状的钒酸铟颗粒的粒径为100nm-2μm；片状的钒酸铟颗粒的长度、宽度及厚度为100nm-2μm。棒状的钒酸铟颗粒的长度和直径为100nm-2μm。本专利技术所述的钒酸铟-铁酸锌复合材料，粒径(尺寸)为1-5μm；比表面积优选为10-50m2/g；本专利技术所述的钒酸铟-铁酸锌复合材料，钒酸铟颗粒和铁酸锌纳米颗粒的质量比为1∶3-3∶1。本专利技术所述的铁酸锌-钒酸铟复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤(1)：将包含偏钒酸盐、三价铟盐、水的混合液进行第一段水热反应，得到钒酸铟颗粒；步骤(2)：将钒酸铟颗粒与包含二价锌盐、三价铁源、碱性调节剂和溶剂的铁酸锌前驱体溶液混合，进行第二段水热反应，得到所述的铁酸锌-钒酸铟复合材料。通过本专利技术的制备方法，可制得在钒酸铟颗粒表面原位复合(修饰)有铁酸锌纳米颗粒的材料，该材料具有优异的性能。所述的偏钒酸盐为偏钒酸根的水溶性盐。作为优选，偏钒酸盐的阳离子为Na+、K+、NH4+中的至少一种。所述的三价铟盐为包含三价铟离子的水溶液盐，作为优选，三价铟盐为三氯化铟、硝酸铟中的至少一种。步骤(1)中，偏钒酸盐与三价铟盐按生成的钒酸铟的钒、铟的化学计量比投加。作为优选，偏钒酸盐与三价铟盐的钒和铟的摩尔比为1∶1(实际制备过程中，允许存在合成上可接受的误差)。混合液中，钒和铟的摩尔浓度为10mmol/L-50mmol/L。在该优选的范围下，得到的材料的晶相纯度高，操作性强；高于上限，容易生成杂相；低于下限不好收集产物。步骤(1)中，在水溶液下进行所述的水热反应，利于本专利技术所述的复合材料的制备。本专利技术中，所述的混合液的pH为2～8。在该优选的pH范围下，更利于纯相钒酸铟的合成。混合液的pH可通过投加在混合液中的pH调节剂进行调节。所述的pH调节剂为硝酸、氨水中的至少一种。为了进一步调整钒酸铟颗粒的形貌，减少钒酸铟颗粒的团聚，进一步利于铁酸锌纳米颗粒的修饰，进而进一步改善得到的复合材料的性能，作为优选，所述的混合液中还包含表面活性剂。作为优选，所述表面活性剂为CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)、PVP(聚乙烯吡咯烷酮)、SDBS(十二烷基苯磺酸钠)、EDTA(乙二胺四乙酸二钠)中的至少一种。作为优选，混合液中，表面活性剂的浓度优选为5～20g/L；进一步优选为10～15g/L。作为优选，第一段水热反应的温度为150-250℃。在该优选的水热温度范围下，利于本专利技术所述的复合材料的制备。作为优选，第一段水热反应的时间8-16h。在该优选的水热反应时间下，利于本专利技术所述的复合材料的制备。第一段水热反应完成后，对水热产物进行洗涤、固液分离、干燥处理得到所述的钒酸铟颗粒。洗涤过程例如为采用蒸馏水、乙醇对产物进行洗涤。固液分离可采用现有方法，例如过滤或离心。干燥处理可以为真空干燥或者常压干燥。本专利技术中，可直接将得到的钒酸铟颗粒进行步骤(2)。或者，将得到的钒酸铟颗粒预先经退火处理后再进行步骤(2)。退火有助于去除负载在钒酸铟表面的残留物，且有助于后续的铁酸锌的修饰。本专利技术中，对钒酸铟颗粒进行退火的温度优选为400-600℃，退火时间优选为1-5h，退火的气氛优选为氮气，氩气，空气中的至少一种。步骤(2)中，将钒酸铟颗粒或者经退火处理后的钒酸铟颗粒置于所述的铁酸锌前驱体溶液中，混合后进行第二段水热反应。三价铁源为包含Fe3+的水溶性盐或者氧化物，优选的三价铁源为铁的硝酸盐、氯化盐、硫酸盐或氧化物中的至少一种。所述的二价锌盐例如为包含Zn2+的水溶性盐，作为优选，二价锌盐为锌的硝酸盐、氯化盐、硫酸盐或乙酸盐。三价铁源和二价锌盐按生成的铁酸锌的锌和铁化学计量比混合。作为优选，三价铁源和二价锌盐中，元素锌和铁的摩尔比为1∶1.5(实际制备过程中，允许存在合成上可接受的误差)。铁酸锌前驱体溶液中，三本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钒酸铟‑铁酸锌复合材料，其特征在于，包括钒酸铟颗粒以及复合在钒酸铟颗粒上的铁酸锌纳米颗粒。

【技术特征摘要】
1.一种钒酸铟-铁酸锌复合材料，其特征在于，包括钒酸铟颗粒以及复合在钒酸铟颗粒上的铁酸锌纳米颗粒。2.如权利要求1所述的钒酸铟-铁酸锌复合材料，其特征在于，所述铁酸锌纳米颗粒均匀修饰在所述钒酸铟颗粒表面；所述铁酸锌纳米颗粒粒径优选为10-500nm；所述的钒酸铟颗粒为由纳米级的钒酸铟纳米颗粒组装成的二次颗粒；所述的钒酸铟纳米颗粒的粒径优选为50-100nm；所述钒酸铟颗粒优选为球状、片状、棒状或多面体中至少一种；其尺寸为100nm-2μm；所述的钒酸铟-铁酸锌复合材料，粒径(尺寸)为1-5μm；比表面积优选为10-50m2/g；钒酸铟颗粒和铁酸锌纳米颗粒的质量比优选为1∶3～3∶1。3.如权利要求1或2所述的钒酸铟-铁酸锌复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)：将包含偏钒酸盐、三价铟盐、水的混合液进行第一段水热反应，得到钒酸铟颗粒；步骤(2)：将钒酸铟颗粒与包含二价锌盐、三价铁源、碱性调节剂和溶剂的铁酸锌前驱体溶液混合，进行第二段水热反应，得到所述的铁酸锌-钒酸铟复合材料。4.如权利要求3所述的钒酸铟-铁酸锌复合材料，其特征在于，混合液中，钒和铟的摩尔浓度为10mmol/L-50mmol/L；所述的混合液的pH为2～8。5.如权利要求4所述的钒酸铟-铁酸锌复合材料，其特征在于，所述的混合液中还包含表面活性剂；所述表面活性剂优选为十六烷基三甲基溴化铵、聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基苯磺酸钠、乙二胺四乙酸二钠中的至少一种；混合液中，表面活性剂的浓度优选为5～20g/L。6.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋良兴，王子衿，汪颖，刘芳洋，赖延清，李劼，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43