剛玉結構型複合氧化物光催化劑Mg<sub>4</sub>Nb<sub>2-x</sub>Ta<sub>x</sub>O<sub>9</sub>及其製備方法
2023-06-12 19:42:06
專利名稱：剛玉結構型複合氧化物光催化劑Mg4Nb2-xTaxO9及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種可見光響應的剛玉結構型複合氧化物光催化劑Mg4Nb2_xTax09及其製備方法，屬於無機光催化材料領域。
背景技術：
隨著社會經濟的發展，人們對於能源和生態環境越來越關注，解決能源短缺和環境汙染問題是實現可持續發展、提高人民生活質量和保障國家安全的迫切需要。1972年Fujishima發現了 TiO2半導體電極在紫外光照射下具有光解水的作用，由此引發了半導體光催化的研究熱潮。其主要領域包括:(I)以太陽光能為能源，以空氣中的氧氣為氧化劑促使水和空氣中的有機汙染物徹底分解成co2、h2o和其它無機鹽，是一種理想的汙染物控制技術；(2)利用太陽能將水分解為氫氣和氧氣等化學能，是氫能經濟的重要組成部分；(3)將太陽能直接轉變為電能。雖然TiO2是一種極其優秀的光催化齊U，但由於TiO2的禁帶寬度較大(3.2eV)，只有波長等於或小於387 nm的紫外光才能激發TiO2產生導帶電子和價帶空穴對從而引發光催化反應。但實際到達地表的太陽輻射能量的波長範圍集中在46(T 500nm,紫外成分(300 400nm)不足5%，因此如何高效地利用太陽光進行光催化反應，開發能被可見光激發的光催化劑正日益引起人們的興趣。為了擴展TiO2的響應波長範圍以充分利用太陽光，人們對其進行了許多改性研究，包括金屬離子摻雜、非金屬離子摻雜、表面光敏化、耦合半導體及引入氧空位、離子注入等方法。一些科學工作者已研製出大量的新型多元金屬氧化物可見光催化劑，三價鉍的複合物如BiV04、Bi2MoO6, Bi2Mo2O9, Bi2Mo3O12和Bi2WO4被報導在可見光下具有良好的吸收。一系列鈮(鉭)酸鹽光催化劑由於具有較高的光催化活性而被廣泛研究。例如，燒綠石(pyrochlore)結構型化合物Bi2MnNbO7(M = Al、Ga、In或稀土元素)、鶴猛鐵礦(wolframite)結構型化合物 InMO4 (Μ = Nb 或Ta)、Stibotantalite Wolframite 結構型化合物BiMO4 (M = Nb或Ta)等和鈮鉀複合氧化物光催化劑如層狀結構的KNb03、KNb308、K4Nb6O17和孔道結構的K6Nbia6O3tl等都具有較好的光催化性能。雖然光催化研究已進行了若干年，但目前報導的具有可見光響應的光催化劑種類仍很有限，仍存在著光轉換效率低、穩定性差和光譜相應範圍窄等問題，所以研究和開發新的具有可見光響應的高效光催化劑是非常必要。文獻[Hirotaka Ogawa, AkinoriKanj Soichi Ishiharaj Yutaka Higashida.Crystal structure of corundum typeMg4Nb2—xTax09 microwave dielectric ceramics with low dielectric loss.Journal ofthe European Ceramic Society, 2003，23:2485 - 2488]報導了剛玉結構型複合氧化物Mg4Nb2-JaxO9的結構與微波介電性能。考慮到目前尚無有關該類化合物光催化性能的研究報導，我們對Mg4Nb2-JaxO9進行了光催化性能研究，結果發現該類化合物具有優異的可見光響應的光催化性能。
發明內容
本發明的目的是提供一種具有可見光響應的剛玉結構型複合氧化物光催化劑Mg4Nb2-JaxO9及其製備方法。本發明涉及的具有可見光響應的剛玉結構型複合氧化物的化學組成通式為:Mg4Nb2_xTax09,其中 O ^ X ^ 2ο所述剛玉結構型複合氧化物的製備方法具體步驟為:
(I)將99.9%分析純的化學原料MgO、Nb2O5和Ta2O5,按Mg4Nb2_xTax09化學式稱量配料，其中O彡X彡2。(2)將步驟(I)配好的原料混合，放入球磨罐中，加入氧化鋯球和無水乙醇，球磨8小時，混合磨細 ，取出烘乾，過200目篩。(3)將步驟(2)混合均勻的粉料在125(Tl350°C預燒，並保溫6小時，自然冷卻至室溫，然後通過球磨機等粉碎手段使粒子直徑變小，低於2 μ m，即得到複合氧化物Mg4Nb2-JaxO9 粉末。本發明製備方法簡單、成本低，製備的光催化劑具有優良的催化性能，在可見光照射下具有分解有害化學物質、有機生物質和殺菌的作用。
具體實施例方式 下面將對本發明進行具體說明:
1、為了得到本發明中所使用的複合氧化物，首先使用固相合成法製備粉末，即把作為原料的各種氧化物或碳酸鹽按照目標組成化學計量比進行混合，再在常壓下於空氣氣氛中合成。2、為了能夠有效利用光，本發明中的光催化劑的尺寸最好在微米級別，甚至是納米粒子，且比表面積較大。用固相合成法製備的氧化物粉末，其粒子較大而表面積較小，但是可以通過球磨機等粉碎手段使粒子直徑變小。3、本發明的光催化實驗以甲基橙作為模擬有機汙染物，其濃度為20mg/L ;剛玉結構型複合氧化物光催化劑Mg4NlvxTaxO9的加入量為lg/L ;光源使用300W的氙燈，反應槽使用硼矽酸玻璃製成的器皿，通過濾波器得到波長大於420nm長波長的光，然後照射光催化劑；催化時間設定為120分鐘。實施例1:
(I)將99.9%分析純的化學原料MgO和Ta2O5,按Mg4Ta2O9化學式稱量配料。(2)將步驟(I)配好的原料混合，放入球磨罐中，加入氧化鋯球和無水乙醇，球磨8小時，混合磨細，取出烘乾，過200目篩。(3)將步驟(2)混合均勻的粉料在1350°C預燒，並保溫6小時，自然冷卻至室溫，然後通過球磨機粉碎手段使粒子直徑變小，低於2 μ m，即得到複合氧化物Mg4Ta2O9粉末。所製備的光催化劑，在波長大於420nm的可見光照射下，120分鐘對甲基橙去除率達到98.3%ο實施例2:
(I)將99.9%分析純的化學原料MgO和Nb2O5,按Mg4Nb2O9化學式稱量配料。(2)將步驟(I)配好的原料混合，放入球磨罐中，加入氧化鋯球和無水乙醇，球磨8小時，混合磨細，取出烘乾，過200目篩。
(3)將步驟(2)混合均勻的粉料在1250°C預燒，並保溫6小時，自然冷卻至室溫，然後通過球磨機粉碎手段使粒子直徑變小，低於2 μ m，即得到複合氧化物Mg4Nb2O9粉末。所製備的光催化劑，在波長大於420nm的可見光照射下，120分鐘對甲基橙去除率達到98.7%。實施例3:
(I)將99.9%分析純的化學原料MgO、Nb2O5和Ta2O5,按Mg4NbTaO9化學式稱量配料。(2)將步驟(I)配好的原料混合，放入球磨罐中，加入氧化鋯球和無水乙醇，球磨8小時，混合磨細，取出烘乾，過200目篩。(3)將步驟(2)混合均勻的粉料在1300°C預燒，並保溫6小時，自然冷卻至室溫，然後通過球磨機粉碎手段使粒子直徑變小，低於2 μ m，即得到複合氧化物Mg4NbTaO9粉末。所製備的光催化劑，在波長大於420nm的可見光照射下，120分鐘對甲基橙去除率達到98.6%ο實施例4:
(I)將99.9%分析純的化學原料Mg0、Nb205和Ta2O5,按Mg4Nba 5TaL 509化學式稱量配料。(2)將步驟(I)配好的原料混合，放入球磨罐中，加入氧化鋯球和無水乙醇，球磨8小時，混合磨細，取出烘乾，過200目篩。(3)將步驟(2)混合均勻的粉料在1320°C預燒，並保溫6小時，自然冷卻至室溫，然後通過球磨機粉碎手段使粒子直徑變小，低於2 μ m，即得到複合氧化物Mg4Nba5Tah5O9粉末。所製備的光催化劑，在波長大於420nm的可見光照射下，120分鐘對甲基橙去除率達到98.1%。本發明決不限於以上實施例。具有與Mg相似結構與化學性質的元素如Co、Zn等也可以做出與本發明類似晶體結構與性能的光催化劑。各組成、溫度的上下限、區間取值都能實現本發明，在此不一一列舉實施例。以上發明實施例所制的光催化劑粉末可負載於多種基體表面上。基體可以是玻璃、陶瓷、活性炭或石英砂等，光催化劑可以以薄膜的形式負載於基體表面。
權利要求
1.一種複合氧化物作為可見光響應的光催化劑的應用，其特徵在於所述複合氧化物的化學組成通式為=Mg4Nb2-JaxO9,其中O≤X≤2 ; 所述複合氧化物的製備方法具體步驟為: (1)將99.9%分析純的化學原料MgO、Nb2O5和Ta2O5,按Mg4Nb2_xTax09化學式稱量配料，其中O≤X≤2 ; (2)將步驟(I)配好的原料混合，放入球磨罐中，加入氧化鋯球和無水乙醇，球磨8小時，混合磨細，取出烘乾，過200目篩； (3)將步驟(2)混合均勻的粉料在125(Tl350°C預燒，並保溫6小時，自然冷卻至室溫，然後通過球磨機粉碎手段使粒子直徑變小，低於2 μ m，即得到複合氧化物Mg4Nb2_xTax09粉末。
全文摘要
本發明公開了一種可見光響應的剛玉結構型複合氧化物光催化劑Mg4Nb2-xTaxO9及其製備方法。該光催化劑的化學組成通式為Mg4Nb2-xTaxO9,其中0≤x≤2。本發明還公開了上述材料的製備方法。本發明製備方法簡單、成本低，製備的光催化劑具有優良的催化性能,在可見光照射下具有分解有害化學物質的作用，且穩定性好，具有良好的應用前景。
文檔編號B01J23/20GK103191716SQ20131013230
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月17日 優先權日2013年4月17日
發明者方亮, 唐瑩, 韋珍海 申請人:桂林理工大學