一种Nb-Rh共掺杂二氧化钛纳米棒光催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种Nb‑Rh共掺杂二氧化钛纳米棒光催化剂及其制备方法和应用，本发明专利技术的光催化剂具有以下优点：1)本发明专利技术制备得到的光催化剂，与普通的光催化剂相比具有一维棒状结构，且能够有效提高材料的光催化产氢活性；2)本发明专利技术的制备方法简单，易于大规模商业生产；3)本发明专利技术制备得到的光催化剂可重复利用，所述Nb‑Rh共掺杂TiO2纳米棒光催化剂可循环使用20次以上，其催化活性没有发生明显的下降现象；4)所述Nb‑Rh共掺杂TiO2纳米棒光催化剂具有较高的催化活性，作为实例，Ti0.996Nb0.002Rh0.002O2纳米棒光催化剂的光解水产氢率高达7.58mmol/g·h，为同等条件下制备得到的TiO2纳米棒的产氢率(0.039mmol/g·h)的194倍。

【技术实现步骤摘要】
一种Nb-Rh共掺杂二氧化钛纳米棒光催化剂及其制备方法和应用
本专利技术涉及光催化材料
，具体涉及一种Nb-Rh共掺杂二氧化钛纳米棒光催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
二氧化钛目前是被公认的光催化反应效率最高的催化材料之一，由于煤、石油、天然气等矿石燃料的不断开发与利用，造成了能源的大量消耗和环境的严重污染，而氢气作为一种清洁能源如果能被人们利用，其将具有重要的研究意义。光解水是指在太阳光的照射下将水直接分解为氢气和氧气，是一种利用太阳能产氢的有效方法，而如何用太阳能分解水制备氢气在全世界备受关注。其中，光解水催化剂起到了至关重要的作用。但现有的光解水催化剂通常在紫外光区有活性，而紫外光只占太阳光总能的4％，太阳光的大部分能量位于可见光区域，这部分能量却还没有加以利用。目前，直接利用太阳能分解水获取清洁能源的应用在国际上还很少。因此，研发出一种在紫外光和/或可见光下能够分解水的催化剂，能够大大提升太阳能利用效率。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术的目的之一是提供了一种Nb-Rh共掺杂二氧化钛纳米棒光催化剂，所述Nb-Rh共掺杂二氧化钛纳米棒光催化剂是通过溶胶-凝胶和水热法制备得到的。本专利技术的目的之二是提供了上述Nb-Rh共掺杂二氧化钛纳米棒光催化剂的制备方法。本专利技术的目的之三是提供了上述Nb-Rh共掺杂二氧化钛纳米棒光催化剂的应用，其可以用于在紫外光和/或可见光下光催化分解水制氢等领域。第一方面，本专利技术提供一种Nb-Rh共掺杂TiO2纳米棒光催化剂，所述催化剂为掺杂型纳米材料，微结构为一维纳米棒，其化学组成可表示为Ti1-x-yNbxRhyO2；其中，0<x≤0.1；0<y≤0.1。优选地，1×10-5≤x≤0.08，1×10-5≤y≤0.08；还优选地，1×10-4≤x≤0.06，1×10-4≤y≤0.06；进一步优选地，3×10-4≤x≤0.04，3×10-4≤y≤0.04；更优选地，5×10-4≤x≤0.02，5×10-4≤y≤0.02。作为示例性的实例，所述Nb-Rh共掺杂TiO2纳米棒光催化剂的化学组成可表示为：Ti0.999Nb0.0005Rh0.0005O2；Ti0.99Nb0.0005Rh0.0095O2；Ti0.996Nb0.002Rh0.002O2；Ti0.979Nb0.001Rh0.02O2；Ti0.979Nb0.02Rh0.001O2；Ti0.99Nb0.005Rh0.005O2；Ti0.97Nb0.01Rh0.02O2；Ti0.97Nb0.02Rh0.01O2；Ti0.992Nb0.004Rh0.004O2；Ti0.96Nb0.02Rh0.02O2。根据本专利技术，所述Nb-Rh共掺杂TiO2纳米棒的平均直径大约为5-20nm(例如约10nm)，长度为几十到几百纳米。根据本专利技术，所述Nb-Rh共掺杂TiO2纳米棒的晶体结构为锐钛矿相。根据本专利技术，所述Nb-Rh共掺杂TiO2纳米棒对紫外光和可见光均有响应。第二方面，本专利技术提供上述Nb-Rh共掺杂二氧化钛纳米棒光催化剂的制备方法，所述方法具体包括以下步骤：(1)分别配制铌盐乙醇溶液和铑盐乙醇溶液；(2)将步骤(1)的铌盐乙醇溶液和铑盐乙醇溶液，以及无机酸、钛源，与乙醇混合并搅拌均匀，形成透明溶液；(3)向上述透明溶液中加入水直至形成凝胶；(4)将上述凝胶分散到碱溶液中，经水热反应，制备得到钛酸盐纳米管；(5)将制备得到的钛酸盐纳米管经焙烧后，即制备得到所述Nb-Rh共掺杂TiO2纳米棒。根据本专利技术，在步骤(1)中，所述铌盐选自五氯化铌、五溴化铌中的一种或两种。优选地，所述铌盐选自五氯化铌。根据本专利技术，在步骤(1)中，所述铑盐选自三氯化铑。优选地，所述铑盐选自铑含量≥38％(例如40％)的水合三氯化铑。根据本专利技术，在步骤(1)中，所述铌盐乙醇溶液的浓度为0.01～0.20mol/L；优选地，所述铌盐乙醇溶液的浓度为0.02～0.10mol/L；还优选为0.02～0.08mol/L，例如为0.05mol/L。根据本专利技术，在步骤(1)中，所述铑盐乙醇溶液的浓度为0.001～0.20mol/L；优选地，所述铑盐乙醇溶液的浓度为0.005～0.10mol/L；还优选为0.006～0.05mol/L，例如为0.01mol/L。根据本专利技术，在步骤(2)中，所述无机酸选自盐酸或硝酸。所述无机酸的加入可以有效抑制钛源的水解，其作用是作为稳定剂。根据本专利技术，所述盐酸的质量分数可以为20～35％，优选为质量分数为35％的浓盐酸。根据本专利技术，所述硝酸的质量分数可以为40～75％，优选为质量分数为69％的浓硝酸。根据本专利技术，在步骤(2)中，所述钛源选自钛酸四正丁酯、钛酸四异丙酯中的一种或两种。根据本专利技术，在步骤(2)中，盐酸的体积与铌盐乙醇溶液中铌盐，铑盐乙醇溶液中铑盐，钛源的物质的量之比可以为(0.02～1.5mL)：(1×10-7～0.001mol)：(1×10-7～0.001mol)：0.01mol，优选为(0.1～1.0mL)：(1×10-6～0.001mol)：(1×10-6～0.001mol)：0.01mol，作为示例性的实例，为0.3mL：(5×10-6～5×10-4mol)：(5×10-6～5×10-4mol)：0.01mol。根据本专利技术，在步骤(2)中，所述乙醇体积与钛源的物质的量之比可以为(5～40mL)：0.01mol，优选为(10～15mL)：0.01mol。根据本专利技术，在步骤(3)中，所述的水为蒸馏水、高纯水中的一种。根据本专利技术，在步骤(4)中，所述碱选自氢氧化钠或氢氧化钾。根据本专利技术，在步骤(4)中，所述碱溶液的浓度为1～15mol/L，优选地，所述碱溶液的浓度为1～10mol/L。根据本专利技术，在步骤(4)中，将所述凝胶在碱溶液中搅拌分散，过滤后重新分散到1～15mol/L的碱溶液中。根据本专利技术，在步骤(4)中，所述水热反应的温度为120～280℃，反应时间为2～200h。优选地，所述水热反应的温度为150～240℃，反应时间为2～120h。根据本专利技术，在步骤(4)中，将水热反应后获得的钛酸盐纳米管依次用纯水，浓度为0.01mol/L的稀硝酸，纯水，无水乙醇清洗多次，干燥；以充分除掉残余的碱和水分；即将钛酸盐纳米管转化为质子化的钛酸盐纳米管。本专利技术中，水热反应后得到的是钛酸钠，通过酸洗，氢离子可以置换钠离子，从而得到质子化的钛酸盐纳米材料。根据本专利技术，在步骤(4)中，所述干燥温度为60℃以上，例如可以为70℃；所述干燥时间为15h以上，例如可以为20h。根据本专利技术，在步骤(5)中，所述焙烧温度为350～700℃，焙烧时间为1～6h；优选地，所述焙烧温度为450～650℃，焙烧时间为1～4h。第三方面，本专利技术提供上述Nb-Rh共掺杂TiO2纳米棒光催化剂的应用，其可以用于光催化水解制氢等领域。本专利技术的有益效果：本专利技术提供了一种Nb-Rh共掺杂二氧化钛纳米棒光催化剂及其制备方法和应用，本专利技术制备得到的Nb-Rh共掺杂二氧化钛纳米棒光催化剂与现有的光催化剂材料相比，具有以下优点：1)本专利技术制备得到的光催化剂，与普通的光催化剂相比具有一维棒状结构，且能够有效提高材料的光催化产氢活性；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Nb‑Rh共掺杂TiO2纳米棒光催化剂，其特征在于，所述催化剂为掺杂型纳米材料，微结构为一维纳米棒，其化学组成可表示为Ti1‑x‑yNbxRhyO2；其中，0

【技术特征摘要】
1.一种Nb-Rh共掺杂TiO2纳米棒光催化剂，其特征在于，所述催化剂为掺杂型纳米材料，微结构为一维纳米棒，其化学组成可表示为Ti1-x-yNbxRhyO2；其中，0<x≤0.1；0<y≤0.1。2.根据权利要求1所述的纳米棒光催化剂，其特征在于，所述1×10-5≤x≤0.08，1×10-5≤y≤0.08；还优选地，1×10-4≤x≤0.06，1×10-4≤y≤0.06；进一步优选地，3×10-4≤x≤0.04，3×10-4≤y≤0.04；更优选地，5×10-4≤x≤0.02，5×10-4≤y≤0.02。3.根据权利要求1或2所述的纳米棒光催化剂，其特征在于，所述Nb-Rh共掺杂TiO2纳米棒光催化剂的化学组成可表示为：Ti0.999Nb0.0005Rh0.0005O2；Ti0.99Nb0.0005Rh0.0095O2；Ti0.996Nb0.002Rh0.002O2；Ti0.979Nb0.001Rh0.02O2；Ti0.979Nb0.02Rh0.001O2；Ti0.99Nb0.005Rh0.005O2；Ti0.97Nb0.01Rh0.02O2；Ti0.97Nb0.02Rh0.01O2；Ti0.992Nb0.004Rh0.004O2；Ti0.96Nb0.02Rh0.02O2。4.根据权利要求1-3中任一项所述的纳米棒光催化剂，其特征在于，所述Nb-Rh共掺杂TiO2纳米棒的平均直径大约为5-20nm(例如约10nm)，长度为几十到几百纳米。优选地，所述Nb-Rh共掺杂TiO2纳米棒的晶体结构为锐钛矿相。优选地，所述Nb-Rh共掺杂TiO2纳米棒对紫外光和可见光均有响应。5.如权利要求1-4中任一项所述的Nb-Rh共掺杂二氧化钛纳米棒光催化剂的制备方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：(1)分别配制铌盐乙醇溶液、铑盐乙醇溶液；(2)将步骤(1)的铌盐乙醇溶液和铑盐乙醇溶液，以及无机酸、钛源，与乙醇混合并搅拌均匀，形成透明溶液；(3)向上述透明溶液中加入水直至形成凝胶；(4)将上述凝胶分散到碱溶液中，经水热反应，制备得到钛酸盐纳米管；(5)将制备得到的钛酸盐纳米管经焙烧后，即制备得到所述Nb-Rh共掺杂TiO2纳米棒。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述铌盐选自五氯化铌、五溴化铌中的一种或两种。优选地，所述铌盐选自五氯化铌。优选地，在步骤(1)中，所述铑盐选自三氯化铑。优选地，所述铑盐选自铑含量≥38％(例如40％)的水合三氯化铑。优选地，在步骤(1)中，所述铌盐乙醇溶液的浓度为0.01～0.20mol/L；优选地，所述铌盐乙醇溶液的浓度为0.02～0.10mol/L；还优选为0.02～0.08mol/L，例如为0.05mol...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭旺，黄集权，李国京，薛垂兵，黄秋凤，邓中华，刘著光，
申请(专利权)人：中国科学院福建物质结构研究所，
类型：发明
国别省市：福建,35