一種半導體光催化劑及製備方法

2023-05-28 03:45:01 1

專利名稱：一種半導體光催化劑及製備方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體光催化劑及其製備方法。作為一種極具前途的環境汙染治理技術，半導體光催化反應自上個世紀七十年代被發現以來，因其高效的催化活性、低能耗、綠色環保等優點，在水和空氣中有機汙染物的治理方面倍受矚目。
背景技術：
在所有可作為光催化劑的半導體材料中，二氧化鈦的催化性能最為優異。就目前的研究結果來看，摻雜稀土元素、表面沉澱貴金屬、複合其它種類的金屬氧化物半導體都可以有效地提高二氧化鈦光催化劑的催化性能，而催化劑的晶粒尺寸、晶型、比表面積等結構參數也對催化劑的性能都有重大影響。在現有的各種光催化劑製備方法中，無論從技術性還是從經濟性考慮，溶膠-凝膠法都是最具工業化前景的方法。
在用溶膠-凝膠法製備稀土摻雜二氧化鈦的光催化劑時，由於稀土元素是以無機鹽的形式加入，而稀土無機鹽的水解較慢，如果溶劑揮發過快，容易造成稀土無機鹽結晶析出，導致催化劑組成上的不均勻性，嚴重影響催化劑的性能。當用溶膠-凝膠法製備超細粉體的催化劑時，由於溶劑的揮發較容易控制，結晶偏析的問題並不十分嚴重，可是在用該方法製備薄膜時，控制溶劑的揮發速度變得非常困難。在多數情況下超細粉體催化劑並不適合實際應用，因此以溶膠-凝膠法在催化劑載體上製備性能優異的催化劑薄膜已經成為該催化劑產業化應用的突破口。

發明內容本發明的要點之一是在二氧化鈦中摻雜兩種或以上的稀土元素，其中至少有兩種稀土元素分別為高變價元素(鈰Ce、鐠Pr和鋱Tb)和低變價元素(釤Sm、銪Eu和鐿Yb)。本發明的要點之二是使用玻璃微珠和玻璃纖維作為催化劑的載體。本發明的要點之三是以快速凝膠的溶膠-凝膠法在催化劑載體上製備稀土摻雜二氧化鈦催化劑薄膜。該製備方法與傳統的溶膠-凝膠法不同之處在於，在溶膠的生成階段，不能使用水或含水的試劑，在將溶膠塗覆到載體表面後，應儘快將載體置於溶劑和氨類化合物的蒸氣氣氛下使載體表面的溶膠塗層快速凝膠化。
該催化劑適用於空氣和水中的有機汙染物的光分解淨化處理。
本發明的具體實施步驟如下(1)溶膠的製備首先將摻雜的稀土混合物溶解在溶劑中。稀土混合物中應含有兩種或兩種以上的稀土元素，而且其中至少有兩種稀土元素分別為高變價元素(鈰Ce、鐠Pr和鋱Tb)和低變價元素(釤Sm、銪Eu和鐿Yb)。摻雜劑的用量應為鈦酸四丁酯用量的0.1～5％(摩爾比)。摻雜劑可使用稀土元素的氧化物或鹽。溶劑為主要由碳數在1～7之間的醇類化合物組成的組合物，如甲醇、乙醇、乙二醇等，溶劑的組分、含量和用量以可以使各種物料充分溶解即可。待稀土混合物溶解後，加入鈦酸四丁酯，微熱並攪拌直至溶液的粘度增加，表明溶膠已經形成。
(2)塗覆將載體(玻璃微珠或玻璃纖維)浸沒在按步驟1製備的溶膠中，待載體被浸潤完全後取出。載體在塗覆前應進行徹底地除油清洗後烘乾備用。
(3)快速凝膠化完成塗覆步驟的載體應儘快迅速置於包含步驟1中使用的溶劑和水的蒸氣氣氛下，使載體表面的溶膠塗層快速凝膠化。
(4)熱處理將凝膠薄膜按以下程序熱處理
具體實施方式
實施例1將0.002摩爾的硝酸鈰和0.002摩爾的硝酸釤溶於800毫升乙醇溶劑中，攪拌至完全溶解後加入1.0摩爾的鈦酸四丁酯，微熱並攪拌直至溶液的粘度增加，表明溶膠已經形成。將經過除油清洗後烘乾備用的玻璃微珠在溶膠溶液中充分浸潤後迅速置於由乙醇和水構成的氣氛下，當塗層充分凝膠後將載體按上述熱處理程序處理，其中在550℃保溫7小時。
實施例2將0.0075摩爾的氧化鈰和0.0075摩爾的氧化銪溶於800毫升甲醇和乙醇(1∶5)的混合溶劑中，攪拌至完全溶解後加入1.0摩爾的鈦酸四丁酯，微熱並攪拌直至溶液的粘度增加，表明溶膠已經形成。將經過除油清洗後烘乾備用的玻璃微珠在溶膠溶液中充分浸潤後迅速置於由甲醇、乙醇和水構成的氣氛下，當塗層充分凝膠後將載體按上述熱處理程序處理，其中在550℃保溫7小時。
實施例3將0.02摩爾的硝酸鐠和0.02摩爾的硫酸釤溶於1000毫升甲醇、乙醇和乙二醇(1∶8∶1)的混合溶劑中，攪拌至完全溶解後加入1.0摩爾的鈦酸四丁酯，微熱並攪拌直至溶液的粘度增加，表明溶膠已經形成。將經過除油清洗後烘乾備用的玻璃微珠在溶膠溶液中充分浸潤後迅速置於由上述溶劑和水構成的氣氛下，當塗層充分凝膠後將載體按上述熱處理程序處理，其中在550℃保溫10小時。
實施例4將0.002摩爾的硝酸鈰、0.002摩爾的硝酸鐠和0.004摩爾的硝酸釤溶於1000毫升甲醇、乙醇和乙二醇(1∶3∶1)的混合溶劑中，攪拌至完全溶解後加入1.0摩爾的鈦酸四丁酯，微熱並攪拌直至溶液的粘度增加，表明溶膠已經形成。將經過除油清洗後烘乾備用的玻璃微珠在溶膠溶液中充分浸潤後迅速置於由上述溶劑和水構成的氣氛下，當塗層充分凝膠後將載體按上述熱處理程序處理，其中在550℃保溫7小時。
權利要求
1.一種半導體光催化劑，其特徵在於以玻璃微珠或玻璃纖維為載體的多元稀土摻雜的二氧化鈦薄膜，其中至少有兩種稀土元素分別為高變價元素(鈰Ce、鐠Pr和鋱Tb)和低變價元素(釤Sm、銪Eu和鐿Yb)，稀土摻雜劑的含量為二氧化鈦的0.1～5％(摩爾比)，摻雜劑可使用稀土元素的氧化物或鹽。
2.根據權利要求1所述的半導體光催化劑，其特徵在於半導體光催化劑的製備方法按以下步驟實現(1)溶膠的製備首先將稀土混合物摻雜劑溶解在溶劑中，待完全溶解後，加入鈦酸四丁酯，微熱並攪拌直至溶液的粘度增加，表明溶膠已經形成；(2)塗覆將載體(玻璃微珠或玻璃纖維)浸沒在按步驟(1)製備的溶膠中，待載體被浸潤完全後取出，載體在塗覆前應進行徹底地除油清洗後烘乾備用；(3)快速凝膠化完成塗覆步驟的載體應儘快迅速置於步驟(1)中使用的溶劑和水的蒸氣氣氛下，使載體表面的溶膠塗層快速凝膠化；(4)熱處理將凝膠薄膜在550℃下熱處理；
3.根據權利要求2所述的半導體光催化劑的製備方法，其特徵在於在上述步驟(1)中，溶劑主要由碳數在1～7之間的醇類化合物組成的組合物，溶劑的組分、含量和用量以可以使各種物料充分溶解即可。
全文摘要
本發明提出一種半導體光催化劑及其製備方法。具體地講就是，在玻璃微珠或玻璃纖維表面以快速凝膠的溶膠－凝膠法製備由多元變價稀土元素摻雜的二氧化鈦半導體光催化劑，該催化劑適用於空氣和水中的有機汙染物的光分解淨化處理。
文檔編號B01J23/10GK1765491SQ20041004399
公開日2006年5月3日 申請日期2004年10月28日 優先權日2004年10月28日
發明者邵延斌, 孫克寧, 邵延文, 劉蘭毅, 石偉 申請人:哈爾濱工業大學