一种双金属离子共掺杂钛酸锶实现可见光响应的纯水裂解半导体催化剂的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种双金属离子共掺杂钛酸锶实现可见光响应的纯水裂解半导体催化剂的制备方法，本发明专利技术以(III

【技术实现步骤摘要】
一种双金属离子共掺杂钛酸锶实现可见光响应的纯水裂解半导体催化剂的制备方法


[0001]本专利技术归属在光催化纳米材料的合成
，尤其涉及两种类的(Ⅲ)价双金属离子共掺杂的钛酸锶半导体催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]半导体光催化在温和条件下能有利地促成许多困难的化学反应进行，例如光催化降解有机物、光催化CO2还原、合成氨、甲醇及其它高附加值的化工原料，光催化分解水等，是生产燃料和化学品的可持续策略，光催化被认为是一种将光子能量转化为化学能的关键技术。由于氢具有较高的燃烧热值和环境友好性，被认为是一种清洁的替代能源，2mol的水分解可生成2mol的氢气和1mol氧气，在以光能源的利用为前提转化成可存储的氢能时，光催化纯水分解技术就以很高的水准可能替代化石燃料的纯粹消耗机制，因而成为研究热门。但是水分解反应是一个热力学上的“爬坡”过程，分解水占用的大比重能耗致使水分解产氢的策略无法大面积投入实际生产。
[0003]自从1972年Fujishima和Honda利用金红石型TiO2阳极和铂阴极进行光电化学的水分解以来，人们一直努力在设计高效的均相和多相光催化的研究。到目前为止，已经有大量的半导体光催化剂被研究出来，如硫化物(CdS)、氮化物(Ta3N5)和金属氧化物(TiO2)等，用于在各种条件下的水分解产氢、产氧等光催化过程。SrTiO3是一种具有立方型钙钛矿结构的无机化合物，还原后为n型半导体，禁带宽度为3.2eV。在研究早期，SrTiO3在实验中被证实可以作为光电阳极进行电解水产生氢气。截至目前，SrTiO3基半导体材料又被证实可在无偏压下直接转化太阳能为化学能，以纯水分解为氢气和氧气的形式进行催化反应。然而如何促进光生载流子的激发，以及载流子的分离和迁移效率的进一步提高，都是目前该领域研究时需要克服的难点。
[0004]但是，由于SrTiO3半导体材料的较宽的带隙，仅表现出对紫外光的响应，这给SrTiO3半导体光催化剂的应用带来了阻碍。为了拓展催化剂的光吸收范围直到可见光区，有许多手段用于改善材料的光催化活性。掺杂工程被利用，它被认为是调节能带结构、提高光生载流子分离效率的重要手段之一。通过外源杂质金属元素掺杂，一方面可在带隙中引入额外的掺杂能级，从而降低能量势垒并诱导本体产生新的光吸收边缘，提高光生载流子的分离效率；另一方面，研究表明使用贵金属离子掺杂的SrTiO3通过表面等离子体共振效应可以捕获更多的可见光。研究表明，通过掺杂Cr
3+
金属离子可以提高SrTiO3的光催化活性，但Cr
3+
离子在反应过程中容易被氧化成为Cr
6+
从而失去活性，往往通过三价金属如La
3+
离子在A位的掺杂，替代Sr
2+
离子来稳定钙钛矿结构；然而，对于钙钛矿SrTiO3半导体催化剂来说，氧缺陷普遍存在，从而导致其光催化水分解活性很低，近日，有文章报导称Al
3+
离子的引入可以调控氧缺陷，虽然不能实现可见光响应，但可以使其紫外光响应范围内的光催化水分解活性大大提升。
[0005]基于此，本专利技术结合钙钛矿结构的缺陷调控及能带控制，通过限定的双金属离子
掺杂钛酸锶，一方面实现SrTiO3结晶度的提升及缺陷的减少，同时调控其禁带宽度，实现可见光响应，扩宽其光谱吸收范围，提升整体光催化水分解活性。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种双金属离子共掺杂钛酸锶实现可见光响应的纯水裂解半导体催化剂的制备方法，所述的光催化剂具有很好的催化活性和稳定性；而且制备工艺操作简单，反应条件温和，所用试剂价格低廉。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0008]一种含有两类(Ⅲ)价双金属离子共掺杂的钛酸锶半导体催化剂，其创新点在于：所述光催化剂为两种类别的(III
A
)和(III
B
)价双金属离子掺杂SrTiO3，并负载RhCrO
x
和CoOOH作为助催化剂，所涉及的两种(Ⅲ)价金属离子相对Ti的摩尔占比均为0.1mol％～0.5mol％，所述RhCrO
x
和CoOOH的担载量分别为0.1wt％和0.05wt％。
[0009]进一步的，所述掺杂金属离子等摩尔比。
[0010]进一步的，所述(III
A
)价金属离子为Al
3+
、Ga
3+
、In
3+
；所述(III
B
)价金属离子为Cr
3+
、Rh
3+
。
[0011]一种含有两类(Ⅲ)价双金属离子共掺杂的钛酸锶半导体催化剂，其创新点在于：所述钛酸锶半导体催化剂用于光催化纯水分解。
[0012]一种含有两类(Ⅲ)价双金属离子共掺杂的钛酸锶半导体催化剂的制备方法，其创新点在于，其包括以下制备步骤：
[0013](1)将定量的乙二醇、钛酸异丙酯、硝酸锶充分混合后，加入适量的柠檬酸和定量摩尔比的一种(III
A
)价金属化合物和另一种(III
B
)价化合物，60～150℃加热搅拌500～800min，得到树脂状透明凝胶，凝胶干燥后在200～650℃空气中热处理3～8小时，获得双金属离子共掺杂的SrTiO3前驱体，前驱体普遍呈现黑色；
[0014](2)将步骤(1)中900℃热处理后获得的双金属离子共掺杂SrTiO3前驱体与过量SrCl2均匀搅拌后，于1000～1200℃保温10～30小时；
[0015](3)将步骤(2)得到的高温热处理后的样品洗涤除去多余的SrCl2，干燥后得到双金属离子共掺杂SrTiO3纳米级粉体；
[0016](4)将步骤(3)合成的双金属离子共掺杂SrTiO3纳米级粉体与一定量的NaRhCl6和Cr(NO3)3分别混合，其中，担载剂各自按占双金属离子共掺杂SrTiO3质量比0.05wt％～0.2wt％，均匀混合1～3小时，于150～500℃保温1～5小时，制得RhCrO
x
/双金属离子共掺杂SrTiO3纳米颗粒；
[0017](5)将步骤(4)合成的RhCrO
x
/双金属离子共掺杂SrTiO3纳米颗粒分散水中，加入质量比为0.01wt％～0.1wt％的Co(NO3)2，300W氙灯光照1～7小时后，过滤洗涤并烘干，制得RhCrO
x
/双金属离子共掺杂SrTiO3/CoOOH纳米复合光催化剂。
[0018]进一步的，步骤(1)中所述(III
A
)价金属化合物为含Al或Ga或In元素的化合物，所述另一类(III
B
)价金属化合物为含Cr或Rh元素的化合物.
[0019]进一步的，所述含(III
A
)化合物为碳酸盐、醋酸盐、硝酸盐、氯化盐中的一种或多种，所述含(III
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含有两类(Ⅲ)价双金属离子共掺杂的钛酸锶半导体催化剂，其特征在于：所述光催化剂为两种类别的(III
A
)和(III
B
)价双金属离子掺杂SrTiO3，并负载RhCrO
x
和CoOOH作为助催化剂，所涉及的两种(Ⅲ)价金属离子相对Ti的摩尔占比均为0.1mol％～0.5mol％，所述RhCrO
x
和CoOOH的担载量分别为0.1wt％和0.05wt％。2.根据权利要求1所述的一种含有两类(Ⅲ)价双金属离子共掺杂的钛酸锶半导体催化剂，其特征在于：所述掺杂金属离子等摩尔比。3.根据权利要求1所述的一种含有两类(Ⅲ)价双金属离子共掺杂的钛酸锶半导体催化剂，其特征在于：所述(III
A
)价金属离子为Al
3+
、Ga
3+
、In
3+
；所述(III
B
)价金属离子为Cr
3+
、Rh
3+
。4.一种根据权利要求1
‑
3任意一项所述含有两类(Ⅲ)价双金属离子共掺杂的钛酸锶半导体催化剂，其特征在于：所述钛酸锶半导体催化剂用于光催化纯水分解。5.一种含有两类(Ⅲ)价双金属离子共掺杂的钛酸锶半导体催化剂的制备方法，其特征在于，其包括以下制备步骤：(1)将定量的乙二醇、钛酸异丙酯、硝酸锶充分混合后，加入适量的柠檬酸和定量摩尔比的一种(III
A
)价金属化合物和另一种(III
B
)价化合物，60～150℃加热搅拌500～800min，得到树脂状透明凝胶，凝胶干燥后在200～650℃空气中热处理3～8小时，获得双金属离子共掺杂的SrTiO3前驱体，前驱体普遍呈现黑色；(2)将步骤(1)中9...

【专利技术属性】
技术研发人员：常焜，高维荣，
申请(专利权)人：扬州市常发新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：