光催化劑鹼式碳酸鑭及其製備方法和應用的製作方法

2023-07-24 07:34:36

專利名稱：光催化劑鹼式碳酸鑭及其製備方法和應用的製作方法
技術領域：
本發明屬於新型材料製備和光催化環境汙染治理和光催化分解水制氫的技術領域，具體涉及光催化劑鹼式碳酸鑭(LaCO3OH)及其製備方法和應用。
背景技術：
隨著能源危機和環境汙染問題的日益嚴重，人類社會的可持續發展面臨巨大挑戰，如何有效地利用太陽能來治理汙染和開發新能源己引起世界各國的廣泛關注。近年來，半導體光催化技術因在氫能源開發和環境汙染治理上的重要應用前景，而受到眾多領域科學工作者的廣泛關注，但由於傳統的TiO2基光催化劑存在量子效率低和太陽能利用率低等缺點，制約了光催化技術的實際應用，因而新型高效光催化劑的成功開發設計是利用太陽能治理環境汙染和開發氫能源的關鍵技術之一。

發明內容
本發明的目的在於提供光催化劑鹼式碳酸鑭(LaCO3OH)及其製備方法和應用，其製備方法簡單，不需要複雜昂貴的設備、合成條件溫和，有利於大規模推廣。為實現上述目的，本發明採用如下技術方案
本發明的光催化劑是鹼式碳酸鑭(LaCO3OH),應用於光催化降解有機汙染物和光催化分解水制氫。該光催化劑的製備方法為水熱合成方法，具體步驟如下
鹼式碳酸鑭的製備將作為碳源的尿素(CO(NH2)2)或氫氧化鈉和碳酸鈉的混合物(Na0H/Na2C03)溶於去離子水、乙二醇或乙醇中的一種或兩種的混合溶劑中製得濃度為
0.1"1 mol/L的碳源溶液；將作為鑭源的化合物固體氧化鑭、硝酸鑭或醋酸鑭中的一種溶於去離子水、乙二醇或乙醇中的一種或兩種的混合溶劑中製得濃度為0. OfO. I mol/L的鑭源溶液；在鑭源溶液中邊攪拌邊滴加碳源溶液，繼續攪拌3(Tl80分鐘，移入高壓反應釜中9(T180°C恆溫反應12 24小時，自然冷卻至室溫，沉澱分別用水和乙醇洗滌離心數次(至離子濃度〈10ppm)，4(Tl2(rC乾燥6 24小時研磨，得到白色的鹼式碳酸鑭粉末，粒徑為20、0nm;所述的碳源與鑭源的物質的量之比為I : I 10 : I ;所述的攪拌是磁力攪拌，攪拌速度為 400 1000 rad/min。本發明的顯著優點在於
(I)本發明首次將鹼式碳酸鑭應用於光催化領域，是一種新型的光解水制氫及降解有機汙染物的光催化劑，能有效地進行光催化反應。(2)本發明的製備方法簡單易行，有利於大規模的推廣。


圖I是本發明的LaCO3OH的X射線衍射(XRD )圖。圖2是本發明的LaCO3OH作為催化劑光解水制氫的情況。
圖3是本發明的LaCO3OH作為催化劑光催化降解水中甲基橙的情況。
具體實施例方式本發明的光催化劑是鹼式碳酸鑭，應用於光解水制氫和光催化降解有機汙染物。該光催化劑的製備方法為水熱法
具體步驟如下將作為碳源的鹼性固體尿素或氫氧化鈉和碳酸鈉的混合物溶於去離子水、乙二醇或乙醇中的一種或兩種的混合溶劑中製得濃度為0. ri mol/L的碳源溶液；將作為鑭源的化合物固體氧化鑭、硝酸鑭或醋酸鑭中的一種溶於去離子水、乙二醇或乙醇中的一種或兩種的混合溶劑中製得濃度為0. oro. I mol/L的鑭源溶液；在鑭源溶液中邊攪拌邊滴加碳源溶液，繼續攪拌30 180分鐘，移入高壓反應釜中9(Tl80°C恆溫反應12 24小時，自然冷卻至室溫，沉澱分別用水和乙醇洗滌離心數次(至離子濃度〈10ppm)，4(Tl2(rC幹 燥6 24小時得到白色的鹼式碳酸鑭粉末，粒徑為20、0 nm ;所述的碳源與鑭源的物質的量之比為I : I 10 : I ;所述的攪拌是磁力攪拌,攪拌速度為400 1000 rad/min。實施例I，LaCO3OH催化劑的製備
稱取0.006 mo I CO(NH2)2固體溶於40 mL水-醇混合溶劑(V水Vill =35:5)中製得尿素溶液；稱取0. 001 mo I La(NO3)3 *6H20固體溶於35 mL去離子水中製得硝酸鑭溶液，往硝酸鑭溶液中邊攪拌邊滴加配好的尿素溶液，繼續攪拌30分鐘，將混合液移入高壓反應釜中，在90°C下恆溫24小時，自然降溫至室溫，將所得沉澱離心、洗滌、40 1常壓乾燥24小時研磨，得白色的LaCO3OH粉末。實施例2，LaCO3OH催化劑的製備
稱取0.006 mo I CO(NH2)2固體溶於55 mL水-醇混合溶劑(V* =Vie =35:20)中製得尿素溶液；稱取0. 001 mo I La(NO3)3 *6H20固體溶於35 mL去離子水中製得硝酸鑭溶液，往硝酸鑭溶液中邊攪拌邊滴加配好的尿素溶液，繼續攪拌180分鐘，將混合液移入高壓反應釜中，在180°C下恆溫12小時，自然降溫至室溫，將所得沉澱離心、洗滌、120 1常壓乾燥12小時研磨，得白色的LaCO3OH粉末。實施例3，LaCO3OH催化劑的製備
稱取0. 006 mo I CO(NH2)2固體溶於45 mL水-醇混合溶劑(V水Vie=35:10)中製得尿素溶液；稱取0. 001 mo I La(NO3)3 *6H20固體溶於35 mL去離子水中製得硝酸鑭溶液，往硝酸鑭溶液中邊攪拌邊滴加配好的尿素溶液，繼續攪拌60分鐘，將混合液移入高壓反應釜中，在120°C下恆溫24小時，自然降溫至室溫，將所得沉澱離心、洗滌、60 1常壓乾燥24小時研磨，得白色的LaCO3OH粉末。圖I展示了本發明的新型光催化劑LaCO3OH的X射線衍射(XRD)圖，從圖中可以發現製備的LaCO3OH為純相，其對應的是斜方晶相的LaCO3OH (JCPDS:49-0981)，樣品晶粒大小約為59. 3 nm。實施例4，新型光催化劑LaCO3OH光催化分解水制氫
光解水制氫的反應是在一個常壓密封的循環體系中進行，反應器為一個體積為250 ml的圓柱形夾套反應器，中間的石英套管用於放置紫外光源，反應時通過夾套外的冷凝水維持反應溫度在20° C左右。將實施例I製得的LaCO3OH粉末用作光催化劑分解水制氫，稱取
100mg樣品於反應器中，然後加入165 mL H2O,並通過磁力攪拌器攪拌均勻。反應前整個體系先用機械泵抽真空，然後充入高純Ar，重複此過程3次，除盡體系中的空氣。氬氣充入完畢後，加入5ml的犧牲劑甲醇，打開攪拌器和氣體循環泵，吸附平衡30 min後開燈。反應過程中的氣相產物通過氣體循環泵打入六通閥，由在線色譜檢測分析。光解水產氫的情況如圖2所示，從圖上可以看出在開燈之後有氫氣產生，並且隨著光照時間的延長氫氣的產量增大，當光照10小時，其產氫量約為152 V- mol,平均產氫速率約為15. 80 u mo I h S大於銳鈦礦型TiO2在相同條件下的光催化效率，即產氫量45 ii mol，產氫速率4. 79 umol實施例5，新型光催化劑LaCO3OH光催化降解水中有機汙染物
水中有機汙染物的光催化降解反應是在自製的間歇式反應裝置中進行，反應器由圓柱狀石英反應管和管外均勻分布的四支紫外燈管(Philips，4W，254 nm)組成，通過磁力攪拌來維持溶液中光催化劑的懸浮狀態。將實施例I製得的LaCO3OH粉末用作光催化劑降解水中的甲基橙(MO):在催化劑濃度是3. 3 g/L,甲基橙濃度是10 ppm，紫外光(入=254nm)照射下，每隔一定時間移取4. 0 mL反應液，經離心分離後，取上層清液進行紫外-可見吸收 光譜分析，根據樣品特徵吸收峰的吸光值來確定降解過程中其濃度變化。光催化降解甲基橙的情況如圖3所示，從圖中可以看出，在光照下LaCO3OH樣品對MO的降解非常顯著，光照180 min後MO的降解率達到88%，對比實驗結果表明，在無光照和無催化劑存在時，MO的濃度都沒有明顯變化。以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。
權利要求
1.光催化劑鹼式碳酸鑭，其特徵在於所述的光催化劑鹼式碳酸鑭的化學式是LaCO3OH。
2.一種如權利要求I所述的光催化劑鹼式碳酸鑭的製備方法，其特徵在於所述的製備方法為水熱一步合成法。
3.根據權利要求2所述的光催化劑鹼式碳酸鑭的製備方法，其特徵在於所述的製備方法的具體步驟如下將作為碳源的鹼性固體溶於溶劑中製得碳源溶液；將作為鑭源的化合物固體溶於溶劑中製得鑭源溶液；在鑭源溶液中邊攪拌邊滴加碳源溶液，繼續攪拌30^180分鐘，將混合液移入高壓反應釜中9(T18(TC恆溫12 24小時，所得沉澱用水和乙醇離心洗滌，至離子濃度〈lOppm，4(T120°C乾燥6 24小時研磨，得到白色的鹼式碳酸鑭粉末。
4.根據權利要求3所述的光催化劑鹼式碳酸鑭的製備方法，其特徵在於所述的碳源是尿素，或氫氧化鈉和碳酸鈉的混合物；所述的溶劑是去離子水、乙二醇、乙醇中的一種或兩種的混合物；所述的鑭源是氧化鑭、硝酸鑭、醋酸鑭中的一種；所述的碳源溶液濃度為O.Γ1 mol/L，鑭源溶液濃度為 O. θΓθ. I mol/L。
5.根據權利要求3所述的光催化劑鹼式碳酸鑭的製備方法，其特徵在於所述的碳源與鑭源的物質的量之比為I : I 10 : I。
6.根據權利要求3所述的光催化劑鹼式碳酸鑭的製備方法，其特徵在於所述的攪拌是磁力攪拌，攪拌速度為400 1000 rad/min。
7.—種如權利要求I所述的光催化劑鹼式碳酸鑭或如權利要求2所述的方法製備的光催化劑鹼式碳酸鑭的應用，其特徵在於所述的光催化劑鹼式碳酸鑭應用於光催化分解水制氫。
8.—種如權利要求I所述的光催化劑鹼式碳酸鑭或如權利要求2所述的方法製備的光催化劑鹼式碳酸鑭的應用，其特徵在於所述的光催化劑鹼式碳酸鑭應用於光催化降解水中有機汙染物。
全文摘要
本發明公開了光催化劑鹼式碳酸鑭(LaCO3OH)及其製備方法和應用，通過水熱法製備的光催化劑鹼式碳酸鑭(LaCO3OH)應用於光催化分解水制氫和光催化降解環境中的有機汙染物。這是首次將鹼式碳酸鑭(LaCO3OH)應用於光催化領域。本發明製備方法簡單，不需要複雜昂貴的設備、合成條件溫和，有利於大規模推廣。
文檔編號C02F1/32GK102671685SQ201210183818
公開日2012年9月19日 申請日期2012年6月6日 優先權日2012年6月6日
發明者付賢智, 劉平, 李朝暉, 王緒緒, 蘇文悅, 解泉華, 陳旬 申請人:福州大學