一种光触媒催化剂材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种光触媒催化剂材料及其制备方法和应用，该催化剂材料为钙钛矿型金属氮氧化物，具有球形多孔微观形貌，粒径为100‑500纳米，其分子式为La1‑xCaxTaO1+yN2‑y，其中，0≤x，y≤1，该光触媒催化剂材料可用于制备水分解制氢型光触媒及降解甲醛型光触媒，具有可见光响应、光吸收连续可调的特点，可实现太阳能制氢和太阳能净化环境(甲醛)的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种光触媒催化剂材料及其制备方法和应用
本专利技术属于光催化材料
，具体涉及一种光触媒催化剂材料及其制备方法和应用。
技术介绍
随着人类社会的不断发展，现有的能源结构已越来越难以满足人类不断增长的能源需求。三大主要化石能源储备(石油、天然气和煤炭)以现有的能源消耗速度在本世纪将消耗殆尽，尽快寻找替代能源已迫在眉睫。另一方面，化石燃料的开采、使用及排放诱发了严重的环境问题，如气候变暖、海洋酸化、空气污染等等，不利于社会的持续发展。因此，开发或者寻找一种新的可持续的能源利用方式是解决上述问题的关键。相对于化石能源的种种问题，太阳能的开发和利用具有多种优势。首先，太阳能储量巨大，太阳的寿命正值中年，还将继续燃烧50亿年。据估算，一小时抵达地球表面的太阳能能够满足人类一年的能量需求；其次，太阳辐射分布广泛且容易获取。除了南北极会出现极夜现象外，人类居住的地方都有可观的太阳辐射；再次，太阳能的开发和利用清洁无污染，对环境不会造成持续伤害。现有的太阳能利用方式主要包括太阳能电能转化、太阳能化学能转化以及太阳能热能转化。其中太阳能化学转化是理想的能源开发途径。例如，将间歇性的、不易收集和存储的太阳辐射转化为易收集和储存的化学能(如氢能等)，既可以有效匹配现有的化石能源利用架构，不至于完全颠覆化石能源经济，又可有效避免化石能源开发利用所带来的环境问题。太阳能化学能的转化主要包括：1)利用太阳能在光触媒表面将水分解为氢气和氧气(即太阳能制氢)；2)利用太阳能和光触媒分解有机污染物如甲醛(太阳能净化环境)。这两种太阳能利用方式都依赖于高效的光触媒，光触媒是一种能够吸收、转化太阳能并且催化化学反应的催化剂，传统的光触媒如TiO2(Energy&EnvironmentalScience,5(2012)6506-6512)，CdS(TheJournalofPhysicalChemistryC,115(2011)11466-11473)等面临太阳光吸收率低、稳定性差等问题，导致太阳能制氢效率和降解有机污染物(如甲醛)效率不高。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了解决上述问题而提供一种具有高催化活性、稳定性好的光触媒催化剂材料及其制备方法和应用。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种光触媒催化剂材料，该催化剂材料为钙钛矿型金属氮氧化物，具有球形多孔微观形貌，粒径为100-500纳米，其分子式为La1-xCaxTaO1+yN2-y，其中，0≤x，y≤1。一种光触媒催化剂材料的制备方法，包括以下步骤：(1)在温度为263K-283K的条件下，将乙酸和乙酸酐混合，得到透明溶液S1，在温度为273K-283K的条件下，将五氯化钽和无水乙醇混合，制得透明溶液S2，在温度为273K-283K的条件下，将溶液S1与溶液S2混合，并剧烈搅拌，得到混合溶液S3；(2)在温度为273K-283K的条件下，将四水合硝酸钙，六水合硝酸镧加入混合溶液S3，并剧烈搅拌，直至溶液澄清，标记为溶液S4；(3)将溶液S4放置于烘箱中，在303K-373K条件下保温2-72小时，得到白色沉淀P1，白色沉淀P1在323K-373K条件下过滤并保温12-72小时，之后在惰性气氛保护条件下在523K-623K灼烧3-8小时得到粉末P2，惰性气体流速应为50-100毫升/分钟；(4)将粉末P2于氧气保护下在873K-973K灼烧5-24小时，得到白色粉末P3，白色粉末P3在氨气氛保护下，氨气流速应为100-300毫升/分钟，在1023K-1423K灼烧5-25小时，得到粉末P4，粉末P4经去离子水润洗后，得到光触媒催化剂材料。优选地，步骤(1)中所述乙酸和乙酸酐的重量份比为100：5-10，无水乙醇和五氯化钽重量份比为100：10-30，溶液S1与溶液S2重量比为1：0.5-1.5。优选地，步骤(2)中相对于100重量份五氯化钽，四水合硝酸钙的用量为70-90重量份，六水合硝酸镧的用量为10-30重量份。一种光触媒制剂，包含上述的光触媒催化剂材料，并担载助催化剂，所述助催化剂选自氧化钴、纳米铂或纳米银中的一种或多种。进一步地，光触媒催化剂材料担载氧化钴的步骤为：将光触媒催化剂材料、硝酸钴与去离子水混合，超声得到悬浊液M1，悬浊液M1在353K-403K条件下烘干，得到粉末P6，粉末P6在氨气氛保护下，在1023K-1123K条件下，灼烧1-3小时，得到粉末P7，粉末P7在423K-473K条件下灼烧1-3小时，即得到担载氧化钴的光触媒催化剂材料。进一步地，将担载氧化钴的光触媒催化剂材料与氯铂酸溶液混合，在400K-500K条件下灼烧1-3小时，得到水分解制氢型光触媒。进一步地，将担载氧化钴的光触媒催化剂材料、硝酸银和乙二醇混合，在393K-463K条件下加热10-30分钟，经冷却、过滤、干燥得到复合材料C1，将复合材料C1、漆酶、去离子水混合，干燥得到降解甲醛型光触媒。所述光触媒制剂用于水分解制氢或降解甲醛，其中，水分解制氢型光触媒的具体使用方法为：(1)将水分解制氢型光触媒、聚乙烯吡咯烷酮、去离子水按照重量比20：1：10混合、研磨、刮涂至FTO导电玻璃上；(2)担载水分解制氢型光触媒的FTO导电玻璃和铂片分别作为工作电极和对电极，硫酸钠水溶液作为电解液，构成光电解池；(3)工作电极作为阳极，对电极作为阴极，两端施加电压，在太阳光照射工作电极条件下分解水，阴极即可收集氢气；降解甲醛型光触媒的具体使用方法为：(1)将降解甲醛型光触媒、去离子水按照1：20重量比混合，超声分散；(2)将被喷涂物清理干净，将避免喷涂的物体用薄膜遮盖；(3)选择雾化效果好的喷枪，喷枪与被喷物体之间保持5-15cm距离；(4)待被喷物体自然干燥。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术通过控制乙酸酐和乙酸的比例，调控五氯化钽的水解速度，可制得具有多孔结构的球形纳米颗粒，该球形纳米颗粒具有较大的比表面，有利于催化反应的进行和物质的传输(如图1)。2、本专利技术通过低温处理前驱物，得到类似无定型态的粉末，有利于氨化过程中氮原子的掺杂和物质的成相。3、本专利技术通过调控硝酸钙与硝酸镧的计量比，可以有效调控光触媒对太阳光的吸收能力，吸收太阳光光子范围可在500-700纳米内连续调控(如图2)。4、本专利技术通过先氨化后还原的方法，在光触媒表面担载具有核壳结构的纳米钴/氧化钴层，该结构具有快速分离电荷的能力。5、本专利技术通过将光触媒与硝酸银溶液混合，直接在光触媒表面原位沉积纳米银，纳米银与光触媒结合的更加紧密，对细菌的杀灭作用更加明显。6、本专利技术通过担载漆酶，可以显著增强光触媒与木质材料的结合能力，有利于光触媒的在木质器具上的固定。7、本专利技术主要利用光触媒活性材料自身高效光催化活性有效转化室内有机污染物甲醛，所用活性材料具有非常优异的可见光吸收能力，能够有效利用太阳光进行光催化反应，与市面主流除甲醛产品(活性炭等)通过吸附去除甲醛有着本质不同，本专利技术专利的优势在于可以有效将甲醛污染物进行转化，并不是通过吸附效应降低甲醛浓度(后期容易二次释放甲醛)。附图说明图1为钙钛矿型金属氮氧化物La0.9Ca0.1TaO1+yN2-y的扫描电镜照片；图2为钙钛矿型金属氮氧化物La1-xCaxTaO1+yN2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光触媒催化剂材料，其特征在于，该催化剂材料为钙钛矿型金属氮氧化物，具有球形多孔微观形貌，粒径为100‑500纳米，其分子式为La1‑xCaxTaO1+yN2‑y，其中，0≤x，y≤1。

【技术特征摘要】
1.一种光触媒催化剂材料，其特征在于，该催化剂材料为钙钛矿型金属氮氧化物，具有球形多孔微观形貌，粒径为100-500纳米，其分子式为La1-xCaxTaO1+yN2-y，其中，0≤x，y≤1。2.如权利要求1所述的一种光触媒催化剂材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在温度为263K-283K的条件下，将乙酸和乙酸酐混合，得到透明溶液S1，在温度为273K-283K的条件下，将五氯化钽和无水乙醇混合，制得透明溶液S2，在温度为273K-283K的条件下，将溶液S1与溶液S2混合，并剧烈搅拌，得到混合溶液S3；(2)在温度为273K-283K的条件下，将四水合硝酸钙，六水合硝酸镧加入混合溶液S3，并剧烈搅拌，直至溶液澄清，标记为溶液S4；(3)将溶液S4放置于烘箱中，在303K-373K条件下保温2-72小时，得到白色沉淀P1，白色沉淀P1在323K-373K条件下过滤并保温12-72小时，之后在惰性气氛保护条件下在523K-623K灼烧3-8小时得到粉末P2；(4)将粉末P2于氧气保护下在873K-973K灼烧5-24小时，得到白色粉末P3，白色粉末P3在氨气氛保护下，在1023K-1423K灼烧5-25小时，得到粉末P4，粉末P4经去离子水润洗后，得到光触媒催化剂材料。3.根据权利要求2所述的一种光触媒催化剂材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述乙酸和乙酸酐的重量份比为100：5-10，无水乙醇和五氯化钽重量份比为100：10-30，溶液S1与溶液S2重量比为1：0.5-1.5。4.根据权利要求2所述的一种光触媒催化剂材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中相对于100重量份五氯化钽，四水合硝酸钙的用量为70-90重量份，六水合硝酸镧的用量为10-30重量份。5.一种光触媒制剂，其特征在于，包含如权利要求1所述的光触媒催化剂材料，并担载助催化剂，所述助催化剂选...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐晓翔，汪亚威，喻金星，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31