可見光響應的光催化劑LiFeGe3O8及其製備方法與流程
2024-03-20 07:38:05
本發明涉及一種可見光響應的光催化劑LiFeGe3O8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。
從20世紀70年代末期，人們提出了利用光催化劑分解水中和大氣中的農藥以及惡臭物質等有機物，以及塗有光催化劑的固體表面的自我清潔等應用實例。光催化反應的原理是光催化劑在吸收了高於其帶隙能量的光子後，生成了空穴和電子，這些空穴和電子分別進行氧化反應和還原反應，達到分解有害化學物質、有機生物質和殺菌的目的。光催化劑有許多種,其中最有代表性的是二氧化鈦(TiO2)，已經利用二氧化鈦對水中和大氣中的農藥和惡臭物質等有機物進行分解，然而二氧化鈦的帶隙是3.2eV,只有在比400nm短的紫外線的照射下才能顯現出活性，只能在室內或者有紫外燈的地方工作，幾乎不能利用可見光，這大大的限制了二氧化鈦光催化劑的使用。
考慮到光催化劑在分解有害物質中的實用性，利用太陽光作為光源是不可缺少的。照射向地表的太陽光中波長在500nm附近可見光的強度最大，波長為400nm～750nm的可見光區的能量大約是太陽光總能量的43％，所以為了高效的利用，鉍系光催化劑的開發和研究已經取得了一系列重大的成果，三價鉍的複合物如BiVO4、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，鈮酸鹽光催化劑Pb3Nb4O13、BiNbO4和Bi2MNbO7(M＝Al、Ga，In，Y，稀土元素和Fe)等和鈮鉀複合氧化物光催化劑如KNbO3、KNb3O8、K4Nb6O17和K6Nb10.6O30等都具有較好的光催化性能,但是在可見光範圍內其本徵光催化效應很弱或沒有活性。
雖然光催化研究已進行了若干年,目前對可見光響應的光催化劑的探索與開發大部分是通過大量實驗而得出的經驗總結,在理論上還無法從化合物的晶體結構、組成、分子量等理化性質上預測其光催化性能，因此目前報導的具有可見光響應的光催化劑種類仍很有限，並存在著光轉換效率低、合成困難、穩定性差和光譜響應範圍窄等問題,研究和開發新的製備方法簡單並具有寬頻可見光響應的高效光催化劑是本領域科技人員一直渴望解決但始終難以獲得成功的難題，這在很大程度上限制了光催化劑的廣泛應用與發展。我們對組成為LiFeGe3O8、LiGaGe3O8和LiAlGe3O8的樣品進行了光催化性能研究。結果發現LiFeGe3O8帶隙寬度是2.73eV,具有優異的可見光響應的光催化性能；LiGaGe3O8和LiAlGe3O8為絕緣體，在紫外線的照射下也不顯現出活性。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種具有可見光響應的光催化劑LiFeGe3O8及其製備方法。
本發明涉及的具有可見光響應的光催化劑的化學組成式為:LiFeGe3O8。
上述可見光響應的光催化劑的製備方法具體步驟為：
(1)將99.9％分析純的化學原料Li2CO3、Fe2O3和GeO2的粉末按LiFeGe3O8的組成稱量配料。
(2)將步驟(1)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1000～1050℃預燒，並保溫6小時，自然冷卻至室溫，然後通過球磨機粉碎使顆粒平均直徑變小，低於2μm，即得到LiFeGe3O8粉末。
本發明的優點：LiFeGe3O8光催化劑的可見光響應頻率範圍寬，光轉換效率高和穩定性好,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；另外製備方法簡單、合成溫度低，成本低，適合工業生產與應用。
具體實施方式
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；光催化劑LiFeGe3O8的加入量為1g/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的光，然後照射光催化劑；催化時間設定為60分鐘。
實施例1：
(1)將分析純化學原料Li2CO3、Fe2O3和GeO2的粉末按LiFeGe3O8的組成稱量配料。
(2)將步驟(1)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1000℃預燒，並保溫6小時，自然冷卻至室溫，然後通過球磨機粉碎使顆粒平均直徑變小，低於2μm，即得到LiFeGe3O8粉末。
所製備的光催化劑，在波長大於420nm的可見光照射下，60分鐘對甲基橙去除率達到97.5％。
實施例2：
(1)將分析純化學原料Li2CO3、Fe2O3和GeO2的粉末按LiFeGe3O8的組成稱量配料。
(2)將步驟(1)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1030℃預燒，並保溫6小時，自然冷卻至室溫，然後通過球磨機粉碎使顆粒平均直徑變小，低於2μm，即得到LiFeGe3O8粉末。
所製備的光催化劑，在波長大於420nm的可見光照射下，60分鐘對甲基橙去除率達到98.5％。
實施例3：
(1)將分析純化學原料Li2CO3、Fe2O3和GeO2的粉末按LiFeGe3O8的組成稱量配料。
(2)將步驟(1)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1050℃預燒，並保溫6小時，自然冷卻至室溫，然後通過球磨機粉碎使顆粒平均直徑變小，低於2μm，即得到LiFeGe3O8粉末。
所製備的光催化劑，在波長大於420nm的可見光照射下，60min對甲基橙去除率達到98.1％。
本發明決不限於以上實施例。各溫度的上下限、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。