一種製備高活性可見光催化劑的方法
2023-06-11 20:45:16
專利名稱：一種製備高活性可見光催化劑的方法
技術領域：
本發明屬於可見光催化技術領域，具體涉及一種製備高活性可見光催化劑的方法。
背景技術：
鈦酸鍶(SrTiO3)是一種優良的氧化物半導體光催化劑，由於它的寬禁帶，SrTiO3隻對能量高於3. 2eV的紫外光響應，而紫外光只佔到達地球的太陽光譜中的一小部分(不足10%)，這使它在環境和能源領域的實際應用受到局限。摻雜非金屬元素(如N)可以在價帶上方引入摻雜能級，使SrTiO3的帶隙變窄，進而能夠利用光譜中能量比3. 2eV小的一部分可見光。另一方面氧化物半導體光催化劑(如SrTi03、Ti02)雖然是優良的光催化劑，但它們的光催化效率還不夠高，提高它們的光催化效率也是光催化工作的主要任務之一。
發明內容
本發明的目的在於提出一種可見光催化效率高，且製備工藝簡單的可見光催化劑的製備方法。本發明提出的可見光催化劑的製備方法，是基於氮摻雜和氫化的協同效應實現的，前者擴展氧化物催化劑可利用光譜的範圍，後者除去催化劑中的電學活性缺陷，阻止光生載流子複合，提高光催化效率。具體步驟如下
I、採用管式電阻爐，使SrTiO3在高溫下氨化，目的是進行N摻雜；氨化操作步驟為將經過清洗的SrTiO3晶片，置於石英片上，使用石英杆將SrTiO3晶片和石英片一起送到石英管中間的加熱位置，記為位置A ;在石英管中通流動的氨氣，流量為20-60 L/h，時間5—6分鐘；然後開啟管式電阻爐，升溫速率為40— 50 V /min，達到設定的溫度800_950°C後，保持恆溫2-5 h;關閉管式電阻爐，使SrTiO3晶片在位置A處自然冷卻至室溫。這樣完成了氨化操作。2、在氮氫氣中氫化，目的是除去摻氮SrTiO3中的電學活性缺陷；氫化操作步驟為
先將管式電阻爐升溫至預定溫度900-1100°C，在石英管中通流動的氮氫混合氣體(混合氣體中，按體積比可為=H2 4—10%,N2 96—90 %)，流量為20_60L/h，時間5_6分鐘；將經過上步處理的SrTiO3晶片置於石英片上一起送到石英管中間的加熱位置A，維持加熱時間10-180 min ;然後使用石英杆將SrTiO3晶片連同石英片一同移到石英管的後端位置，記為位置B，快速冷卻至室溫，冷卻速率300-500°C /min，冷卻速率由氮氫混合氣體流量控制。本發明方法可以用於製備具有高可見光催化活性的新型氧化物半導體光催化劑，在環境和能源領域具有廣泛的應用前景。
圖I是本發明的樣品製備裝置圖。
圖2是可見光催化的一個實驗實例。圖中縱軸表示加載不同樣品的MB在可見光照射一定時間後的吸收度，橫軸表示波長。曲線I表示沒有加載任何樣品的情況，曲線II表示加載原始的SrTiO3的情況，曲線III表示加載氨化的SrTiO3的情況，曲線IV表示加載依次氨化和氫化的SrTiO3的情況。圖中標號1表不兩端開口的石英管，2表不管式電阻爐，3表不SrTiO3晶片樣品，4表示承載SrTiO3樣品的石英片，A表示加熱或自然冷卻的位置，B表示快速冷卻的位置。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例具 體描述本發明。一、氨化操作
SrTiO3晶片依次在丙酮和去離子水中超聲清洗各15分鐘，吹乾，置於石英片4上，使用石英杆將SrTiO3樣品3和石英片4 一起送到石英管I中的位置A，在石英管I中通流動的氨氣，流量在20-60 L/h, 5-6分鐘後，開啟管式電阻爐2，升溫速率為40_50°C /min，待達到設定的溫度(800-950°C)後，保持恆溫加熱一定時間(2-5 h)，關閉管式電阻爐2，使樣品3在位置A自然冷卻至室溫。這樣完成了氨化操作。二、氫化操作
先將管式電阻爐2升溫至預定溫度(900-1100°C)，在石英管I中通流動的氮氫氣(混合氣體中，按體積比可為=H2 4—10%,N2 96—90 %)，流量為20_60L/h，5_6分鐘後將需要氫化的樣品3置於石英片4上一起送到石英管I中的加熱位置A，維持加熱預定時間(10-180min)，然後使用石英杆將樣品3連同石英片4 一同拉到石英管I中的位置B快速冷卻，冷卻速率約300-500°C /min，冷卻速率由氮氫氣流量控制。圖2給出了一個具體實例，具體條件是氨化溫度900°C，氨化時間3 h，氨氣流量40 L/h ;氫化溫度1000°C,氫化時間O. 5 h,氮氫氣流量40 L/h ;光催化時間為20 h,光源為400 1中壓汞燈(抱以6118)，採用濾色片邛420+084 (江蘇海安教育光學鏡片廠)濾去紫外光和其他不需要的可見光，只保留波長435和405 nm的藍光。吸收度的高低反映MB的濃度，曲線I-IV的高低差異反映相應MB的濃度的差別。因此，曲線II和曲線I幾乎重合，說明可見光照下MB沒有被SrTiO3分解；曲線III比曲線I低，說明氨化的SrTiO3可以利用可見光分解MB，這一可見光催化活性源於替代位的氮元素摻雜導致的帶隙變窄；曲線IV與曲線III低更多，說明氨化再氫化的SrTiO3比僅僅氨化的樣品分解更多的MB，也就是說前者的可見光催化效率顯著高於後者。在依次氨化和氫化的樣品中，氨化實現了氮摻雜，使SrTiO3帶隙變窄，從而可以利用一部分可見光催化分解MB，而氫化除去了氮摻雜樣品中的電學活性缺陷，阻止了光生載流子複合，使它的可見光催化的效率大大提高。這是一種新型的獲得高活性可見光催化的方法。
權利要求
1. 一種製備高活性可見光催化劑的方法，其特徵在於具體步驟如下 (1)採用管式電阻爐，使SrTiO3在高溫下氨化；氨化操作步驟為 將經過清洗的SrTiO3晶片，置於石英片上，使用石英杆將SrTiO3晶片和石英片一起送到石英管中間的加熱位置，記為位置A ;在石英管中通入流動的氨氣，氨氣流量為20-60 L/h，通入時間為5-10分鐘；然後開啟管式電阻爐加熱，升溫速率為40—50 °C/min，達到設定的溫度800-950°C後，保持恆溫2-5 h ;關閉管式電阻爐，使SrTiO3晶片自然冷卻至室溫； (2)在氮氫氣中氫化，除去摻氮SrTiO3中的電學活性缺陷；氫化操作步驟為 先將管式電阻爐升溫至預定溫度900-1100°C，在石英管中通入流動的氮氫混合氣體，混合氣體中，按體積比為=H2 4—10%,N2 96—90 %，混合氣體流量為20_60L/h，通入時間為5-10分鐘；將經過上步處理的SrTiO3晶片置於石英片上一起送到石英管中間的加熱位置A，維持加熱時間10-180 min ;然後使用石英杆將SrTiO3晶片連同石英片一同移到石英管的後端位置，記為位置B，快速冷卻至室溫，冷卻速率300-500°C /min,冷卻速率由氮氫混合氣體流量控制。
全文摘要
本發明屬於可見光催化技術領域，具體為一種製備高活性可見光催化劑的方法。具體步驟為採用管式電阻爐，使SrTiO3在高溫下氨化，進行N摻雜；再在氮氫氣中氫化，除去摻氮SrTiO3中的電學活性缺陷，使它的可見光催化的效率大大提高。本發明方法製備的具有高可見光催化活性的氧化物半導體光催化劑，在環境和能源領域具有廣泛的應用前景。
文檔編號B01J23/02GK102614861SQ20121006332
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月12日 優先權日2012年3月12日
發明者孫濤, 陸明 申請人:復旦大學