一种制备镍离子掺杂三氧化钨光催化剂的方法及其产品与应用技术

本发明专利技术公开了一种制备镍离子掺杂三氧化钨光催化剂的方法及其产品与应用，包括以下步骤：1)将钨酸盐与强酸溶液进行混合，进行搅拌反应，接着离心、洗涤，得到的沉淀，将沉淀进行干燥后，进行煅烧，得到三氧化钨；2)将三氧化钨加入到弱碱溶液中，超声分散和搅拌，得到分散液；向分散液中加入镍盐，继续进行搅拌反应，反应结束，进行离心洗涤，得到镍离子掺杂三氧化钨催化剂。本发明专利技术的镍离子掺杂三氧化钨光催化剂主要由镍离子掺杂在含有丰富缺陷以及非晶态结构的三氧化钨表面，利用缺陷和高价镍离子的两者协同作用，使得其活性位点明显增多，同时氧空位等缺陷作为电子接受体，可以提高光生电子和空穴的分离效率，从而提高光催化剂的光催化性能。催化性能。催化性能。

【技术实现步骤摘要】
一种制备镍离子掺杂三氧化钨光催化剂的方法及其产品与应用


[0001]本专利技术属于光催化材料
，具体涉及一种制备镍离子掺杂三氧化钨光催化剂的方法及其产品与应用。

技术介绍

[0002]随着工业革命的兴起、工业化以及人类社会的繁荣发展，化石燃料作为人类经济发展的主要能源，在全球持续增长的能源需求下，面临着枯竭的危机。另一方面，化石燃料的燃烧和人类活动，引发一系列环境问题，例如，全球变暖、冰川融化、土地沙漠化等。因此，将通过高效环保的技术转化成可利用的资源，光催化分解水是解决能源问题和环境问题的一种非常有前景的手段，也是在能源领域中具有挑战性的研究方向。
[0003]光催化技术是指催化剂在光照条件下将光能转化为化学反应所需要的能量，进而产生催化作用，是一种新型高效节能环保技术。其中用太阳能光催化分解水，最受关注。从Inoue等人的开创性工作以来，已有许多研究致力于半导体的光催化分解水，例如TiO2。但是由于TiO2禁带宽度大(约为3.2eV)，只能利用太阳光中约4％的紫外光能量，限制了其在光催化领域的应用。
[0004]三氧化钨作为一种可见光半导体催化剂，因其无毒、价廉、稳定性高等优点在光催化领域引起了广泛的关注。尽管三氧化钨有较好的可见光吸收特性，但由于其比表面积小、能带结构窄、光生空穴和电子易于复合等缺陷，导致实际的量子效率不高、光催化活性不高。因此，目前有许多研究采用了大量的方法包括贵金属沉积、半导体复合、金属离子和非金属离子掺杂等对三氧化钨进行改性，然而效果仍不够理想。因此，开发制备简单、价格低廉、催化活性高的可见光催化剂仍是重要的研究方向。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种光吸收范围宽、光生电子
‑
空穴对分离效率高、光催化活性高的制备镍离子掺杂三氧化钨光催化剂的方法及其产品与应用。
[0006]本专利技术这种制备镍离子掺杂三氧化钨光催化剂的方法，包括以下步骤：
[0007]1)将钨酸盐与强酸溶液进行混合，并进行搅拌反应，反应完毕后，进行离心、洗涤，得到的沉淀，将沉淀进行干燥后，进一步进行煅烧，得到三氧化钨；
[0008]2)将步骤1)中的三氧化钨加入到弱碱溶液中，超声分散，并进行搅拌，得到分散液；向分散液中加入镍盐，继续进行搅拌反应，反应结束，进行离心洗涤，得到镍离子掺杂三氧化钨催化剂。
[0009]所述步骤1)中，钨酸盐为Na2WO4·
2H2O，强酸为硝酸，强酸的浓度为4～5M，钨酸盐在强酸溶液中的浓度为2～3mg/mL。
[0010]所述步骤1)中，搅拌反应时间为24～48h；洗涤是采用去离子水洗涤至中性；干燥温度为50～70℃，干燥时间为10～14h；煅烧温度为400～600℃，煅烧升温速率为4～6℃/
min，煅烧时间为1～3h。
[0011]所述步骤2)中，弱碱溶液为氨水溶液，弱碱溶液的浓度为0.005～0.05mmol/L；三氧化钨在弱碱溶液中的浓度为3～4mg/mL；搅拌时间为1～3h，搅拌温度为40～60℃。
[0012]所述步骤2)中，镍盐为硝酸镍，镍盐在分散液中的浓度为0.005～0.08mol/L，继续搅拌反应时间为6～12h，继续搅拌反应温度为40～60℃。
[0013]根据上述的制备方法制备得到镍离子掺杂三氧化钨催化剂。
[0014]所述的镍离子掺杂三氧化钨催化剂的微观形貌为纳米片，纳米尺寸200～500nm。
[0015]所述的镍离子掺杂三氧化钨催化剂中镍离子的掺杂的质量百分含量为1～4％。
[0016]所述的镍离子掺杂三氧化钨催化剂中三氧化钨表面产生丰富缺陷以及非晶态结构。
[0017]所述的镍离子掺杂三氧化钨催化剂在光催化水产氧中的应用。
[0018]本专利技术的原理：本专利技术利用部分三氧化钨在弱碱性溶液中会缓慢溶解，使得三氧化钨表面产生丰富缺陷以及非晶态结构，再将产物分散在含镍离子的溶液中搅拌，利用镍离子自氧化产生高价镍离子，从而制备出高价镍离子掺杂的具有丰富缺陷的三氧化钨光催化剂。三氧化钨的表面缺陷可以作为电子接受体，提高电子和空穴的分离效率，同时催化剂掺杂镍离子后，活性位点增多，有利提高催化反应效率。所述本专利技术中的催化剂利用高价镍离子和丰富缺陷的协同作用，增加了光响应范围，提高了光生电子
‑
空穴对的分离效率，从而提高了光催化产氧的光催化活性。
[0019]本专利技术的有益效果：
[0020](1)本专利技术的镍离子掺杂三氧化钨光催化剂主要由镍离子掺杂在含有丰富缺陷以及非晶态结构的三氧化钨表面，利用缺陷和高价镍离子的两者协同作用，使得其活性位点明显增多，同时氧空位等缺陷作为电子接受体，可以提高光生电子和空穴的分离效率，从而提高光催化剂的光催化性能。所合成的光催化剂在光电催化反应方面具有重要的实际应用价值。
[0021](2)本专利技术的制备方法通过简单温和的溶液处理，先获得表面具有大量缺陷的三氧化钨，再利用空位氧化镍离子，形成高价镍离子掺杂的三氧化钨。实现了缺陷浓度和镍离子掺杂量可控，可以通过调控反应时间、温度、镍源用量等条件，即可实现缺陷浓度和镍离子掺杂量的调控。
[0022](3)本专利技术的镍离子掺杂三氧化钨光催化剂，在光催化水分解产氧时，相对于原始的三氧化钨光催化剂具有更高的光催化活性、太阳光利用率高，在光催化分解水产氧方面具有更好的应用前景。
[0023](4)本专利技术的镍离子掺杂三氧化钨光催化剂制备方法简单、容易操作，不需要复杂的仪器设备。采用镍离子作为掺杂剂，相对于含贵金属的催化剂材料，价格低廉，适合工业化生产。
附图说明
[0024]图1实施例1中制备的三氧化钨以及实施例2制备的镍离子掺杂三氧化钨光催化剂的X射线衍射(XRD)图谱；(a)实施例1；(b)实施例2；
[0025]图2实施例2和对比例1制备的镍离子掺杂三氧化钨催化剂X射线光电子能(XPS)图
谱的Ni元素高分辨图：(a)对比例1；(b)实施例2。
[0026]图3实施例1中制备的三氧化钨以及实施例2制备的镍离子掺杂三氧化钨光催化剂透射电子显微镜(TEM)图像；(a)和(c)实施例1，(b)和(d)实施例2；
[0027]图4实施例1中制备的三氧化钨、实施例2制备的镍离子掺杂三氧化钨光催化剂和对比例1中制备的镍离子掺杂三氧化钨分解水产氧性能图；(a)实施例1；(b)实施例2；(c)对比例1。
具体实施方式
[0028]下面通过具体的实施例对本专利技术的技术方案进行进一步的说明，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。
[0029]实施例1
[0030]三氧化钨纳米片结构的制备：将500mg Na2WO4·
2H2O溶于200mL HNO3(4.8M)溶液中，搅拌36h，离心收集到黄色沉淀(WO3·
2H2O)，用水洗涤至pH呈中性，将收集到的WO3·
2H2O，置于60℃真空干燥箱中干燥12h，将干燥后的WO3·...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备镍离子掺杂三氧化钨光催化剂的方法，包括以下步骤：1)将钨酸盐与强酸溶液进行混合，并进行搅拌反应，反应完毕后，进行离心、洗涤，得到的沉淀，将沉淀进行干燥后，进一步进行煅烧，得到三氧化钨；2)将步骤1)中的三氧化钨加入到弱碱溶液中，超声分散，并进行搅拌，得到分散液；向分散液中加入镍盐，继续进行搅拌反应，反应结束，进行离心洗涤，得到镍离子掺杂三氧化钨催化剂。2.根据权利要求1所述的制备镍离子掺杂三氧化钨光催化剂的方法，其特征在于，所述步骤1)中，钨酸盐为Na2WO4·
2H2O，强酸为硝酸，强酸的浓度为4～5M，钨酸盐在强酸溶液中的浓度为2～3mg/mL。3.根据权利要求1所述的制备镍离子掺杂三氧化钨光催化剂的方法，其特征在于，所述步骤1)中，搅拌反应时间为24～48h；洗涤是采用去离子水洗涤至中性；干燥温度为50～70℃，干燥时间为10～14h；煅烧温度为400～600℃，煅烧升温速率为4～6℃/min，煅烧时间为1～3h。4.根据权利要求1所述的制备镍离子掺杂三氧化钨光催化剂的方法，其特征在于，所述步骤2)中，弱碱...

【专利技术属性】
技术研发人员：张福勤，丰欣妍，吕波，丰雪帆，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：