一種鉭酸鈉的製備方法

2023-10-10 00:04:19

一種鉭酸鈉的製備方法
【專利摘要】本發明為一種鉭酸鈉的製備方法，該方法包括以下步驟：(1)將氫氧化鈉和五氧化二鉭混合後研磨，其中，摩爾比為NaOH:Ta2O5＝2:1～8:1；(2)將步驟(1)中得到的混合物在500～800℃熔融反應1～10小時；(3)用去離子水和稀酸溶液清洗步驟(2)得到的反應產物，然後再50～180℃烘乾即可以得到鉭酸鈉產物。本發明採用的氫氧化鈉熔融法是一種簡單、高效的NaTaO3合成方法，並且能夠在較溫和條件下製備摻雜量可精確控制的摻雜鉭酸鈉。
【專利說明】一種鉭酸鈉的製備方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種光催化劑的製備方法，具體為一種鉭酸鈉光催化劑的氫氧化鈉熔融製備方法。

【背景技術】
[0002]隨著社會與經濟的高速發展，人類面臨著嚴重的環境汙染問題和能源危機。光催化劑被認為是解決這兩種難題的關鍵材料，它既可以用來光催化裂解水制氫，又可以用來光催化降解有機染料。鉭酸鈉(NaTaO3)是一種性能優異的、紫外光激活的催化劑(H.Kato, A.Kudo, Cata.Lett.1999，58，153-155)。負載 N1 的 NaTaO3分解純水製備 H 2和 O 2的量子效率達到 20-28% (H.Kato, A.Kudo, J.Phys.Chem.B 2001，105，4285-4292)。摻雜被認為是一種有效地調節NaTaOjg帶結構的方法，通過摻雜可以獲得可見光響應的、高效率的催化劑。目前，單相和摻雜NaTaO3的合成方法主要有高溫固相反應法、水熱法和溶膠-凝膠法。其中，固相反應法通常以NaHC03、Ta2O5為原料，經過1200°C、10h高溫反應多次才能得到單相的 NaTaO3 (ff.Lin, C.Cheng, C.Hu, H.Teng, Appl.Phys.Lett.2006，89，211904)。這種高溫反應過程耗能、耗時，並且產物是催化效率較低的正交相NaTa03。這種高溫固相反應方法尤其不利於N摻雜NaTaOj^合成，因為作為N源的Ta 3N5或者TaON通過在700 °C即分解。水熱法是另一種較簡便的NaTaO3納米顆粒合成方法，研宄者通常以Ta2O5和超濃的NaOH溶液([NaOH]彡10M)為原料，在反應釜中經過160?240°C反應12?48h製備具有立方體形貌的NaTa03m米顆粒(Y.He, Y.Zhu, N.ffu, J.Solid State Chem.2004，177，3868-3872 ；J.ff.Liu, G.Chen, Z.H.Li, Int.J.Hydrogen Energy, 2007，32，2269-2272)。但是，以水熱法合成鉭酸鈉的過程中，反應在水溶液中進行，這樣在合成金屬離子摻雜的鉭酸鈉時，摻雜物質通常會溶於水中，不易控制最終產物中摻雜離子的含量。以溶膠-凝膠法製備NaTaO3時，雖然可以在較低的溫度下合成單相NaTaO3，但需要採用價格昂貴的TaCl^ Ta(CH 3CH20H)5為鉭源，因此這種合成路線的成本較高。因此，迄今為止單相和摻雜的NaTaO3的簡易、高效、低成本的製備方法仍然是缺乏的。


【發明內容】

[0003]本發明針對當前製備鉭酸鈉技術中存在的不足，提供一種鉭酸鈉的製備方法，該方法採用NaOH熔融法能在較低溫度下合成設計化學計量比的摻雜NaTaO3催化劑，不僅克服了固相反應合成NaTaOJt的高溫、長時的缺點；而且能夠較精確地控制合成的摻雜鉭酸鈉中摻雜離子的濃度。本發明採用氫氧化鈉熔融法具有簡單、反應條件溫和、低成本的優點。
[0004]本發明的技術方案是:
[0005]一種鉭酸鈉的製備方法，該方法包括以下步驟:
[0006](I)將氫氧化鈉和五氧化二鉭混合後研磨，其中，摩爾比為NaOH = Ta2O5= 2:1?8:1 ；
[0007](2)將步驟(I)中得到的混合物在空氣氣氛或者保護氣氛中以每分鐘I?30°C的速率升溫至500?800°C，然後在該溫度下熔融反應I?10小時，然後降溫至室溫得到反應產物，
[0008](3)用稀酸溶液和去離子水清洗步驟(2)得到的反應產物，然後再50?180°C烘乾即可以得到鉭酸鈉產物；
[0009]所述的稀酸溶液為稀硝酸、稀鹽酸或者稀硫酸溶液。
[0010]其中，保護氣氛為氮氣、氬氣或兩者的混合氣體。
[0011]本發明的有益效果是:
[0012]1.本發明採用的氫氧化鈉熔融方法能在較溫和的條件下合成了單相。如圖1(b)所示，摩爾比為NaOH:Ta2O5= 2.5:1混合原料經過500°C、3h的熔融反應就能夠得到單相的NaTa03。在以上合成反應過程中，NaOH既是反應物，又能在此反應溫度下熔融，從而提供了液相反應介質。這一合成溫度遠低於固相反應法合成鉭酸鈉的溫度(1200°C)，反應時間也遠遠短於固相反應所需要的時間(12?36h);與水熱反應相比，在本發明的合成方案所需要的設備簡單，不需要水熱反應中必需的水熱釜；與溶膠-凝膠法相比，成本大大降低。因此，本發明採用的氫氧化鈉熔融法是一種簡單、高效的NaTaO3合成方法。
[0013]2.本發明採用的氫氧化鈉熔融法能夠在較溫和條件下製備摻雜量可精確控制的摻雜鉭酸鈉。如圖3所示是以化學式NaTahMox03_xNx(X = O, 0.01，0.03，0.05，0.1)為目標產物，以NaOH, Ta2O5, Ta3N5和(NH4)6Mo7O24.4H20為原料(其中，NaOH和Ta2O5的摩爾比為NaOHiTa2O5= 2.5:1)在700°〇的N2中反應3h得到產物的XRD圖譜。製備的產物為單相的NaTaO3，沒有其他雜質相產生。通過EDS圖譜分析了製備產物的化學組成(圖4)，在製備的摻雜的NaTaO3*存在摻雜離子Mo和N。並且，產物中摻雜離子濃度隨反應物中摻雜含量的提高而升高，與設計化學式的成分接近。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]下面結合附圖和具體實施對本發明進一步說明。
[0015]圖1為實例I?9中不同化學計量比和不同溫度下合成樣品的XRD圖譜，其中，圖1 (a)不同摩爾比的Na0H/Ta205經過700°C、3h反應之後得到產物的XRD圖譜；圖1 (b)摩爾比為NaOH = Ta2O5= 2.5:1的混合物經過不同溫度下3h反應之後得到產物的XRD圖譜。
[0016]圖2為實例6?9中摩爾比為NaOH = Ta2O5= 2.5:1的混合物經過不同溫度下3h反應之後得到產物的微觀結構的掃描照片，圖2(a)為500°C，圖2(b)為600°C，圖2 (c)為700°C和圖2(d)為800°C，反應氣氛為空氣。
[0017]圖3為實例10?14中通過熔融法在700 °〇的N2中以NaOH，Ta2O5, Ta3N5, (NH4)6Mo7O24.4Η20 為原料分別合成的 NaTa1JMoxCVxNx (χ = O, 0.01，0.03，0.05 和 0.1 產物的 XRD 圖譜。
[0018]圖4為實例13中通過熔融法合成的NaTaa95MoaQ502.95\。5產物EDS圖譜。

【具體實施方式】
[0019]實施例1
[0020](I)按照摩爾比NaOH = Ta2O5= 2:1稱取反應原料氫氧化鈉和氧化鉭，然後在瑪瑙研缽中研磨20min以上，使原料混合均勻。將混合原料置於氧化鋁坩禍中，在空氣氛圍下以每分鐘20°C的速率升溫至700°C，然後在空氣中、700°C熔融反應3h，得到白色固體物質；
[0021](2)將步驟⑴中得到的產物用稀硝酸(體積濃度為10% )溶液清洗4次，再用去離子水清洗4次，以去除多餘的NaOH以及可能存在的鋁離子。將清洗後得到的白色物質放入60 °C的烘乾箱中，保溫12h，得到白色產物。
[0022]實施例2、3、4、5
[0023]其他步驟同實施例1，不同之處為將步驟(I)中反應物的摩爾比NaOH = Ta2O5由2:1分別變為 8:1、10:1、15:1 和 20:1。
[0024]以上實施例採用X射線衍射儀(XRD)對製備產物的物相組成進行分析，結果如圖1(a)所示。當NaOH和Ta2O5的摩爾比為2:1至8:1時，在700°C反應3h可以得到單相的NaTaO3產物;當NaOH和Ta 205的摩爾比高於10:1時，得到的是非晶相的NaTaO 3。因此，採用氫氧化鈉熔融法合成NaTaO3時，原料的摩爾比應為NaOH: Ta 205= 2:1?8:1。
[0025]實施例6
[0026](I)按照摩爾比NaOH = Ta2O5= 2.5:1稱取原料氫氧化鈉和氧化鉭，然後在瑪瑙研缽中混合均勻，於氧化鋁坩禍中在500°C的空氣中反應3h，得到白色固體物質；
[0027](2)同實施例1的步驟⑵。
[0028]實施例7、8、9
[0029]其他步驟同實施例6，不同之處為將步驟(I)中反應溫度由500°C分別變為600、700 和 800。。。
[0030]圖1 (b)摩爾比NaOH = Ta2O5= 2.5:1的混合原料在不同溫度下熔融反應得到產物的XRD圖譜。在500°C熔融反應3h就可以得到單相的NaTaO3,隨著反應溫度逐漸升高至8000C，得到的單相NaTaO3產物的X射線衍射峰的半峰寬逐漸變窄，表明隨著溫度升高產物的結晶度增大。圖2是以上不同溫度反應得到產物的微觀結構的掃描照片。在500和600°C熔融反應產物具有不規則的片狀結構；當反應溫度升高到700°C時，產物中出現立方顆粒形貌；當反應溫度進一步升高到800°C時，反應產物具有規則的立方體或者產物體形貌，產物的尺寸分布在100?300nm之間。
[0031]實施例10
[0032](I)按照設計的化學式Ν&Τ&1_χΜοχ03_χΝχ (χ = 0.01，即設計的化學式為NaTaa99MoatllO2.99N0.01)稱取 NaOH、Ta2O5、(NH4) 6Μο7024.4H20 和 Ta3N5原料，其中 NaOH 和 Ta 205的摩爾比為2.5:1,Mo和N的摻雜量為χ = 0.01。將原料在瑪瑙研缽中混合均勻，然後放入氧化鋁坩禍中，在700°C的N2中反應3h，得到不同顏色的反應產物；
[0033](2)將步驟(I)中得到的產物用稀硝酸和去離子水反覆清洗8次以上，然後在60 0C的烘乾箱中乾燥得到產物。
[0034]實施例11、12、13、14
[0035]其他步驟同實施例10，不同之處為將步驟(I)中摻雜量χ = 0.01改為χ =O, 0.03，0.05和0.1。隨著Mo和N摻雜量的升高，得到摻雜似了&03樣品的顏色逐漸由白色變為淺綠色和灰綠色，即樣品顏色隨摻雜濃度的增大而逐漸加深，這也說明了產物中摻雜物質濃度的變化。
[0036]如圖3所示，當摻雜含量χ NaTa0 962Μο0.045Ο2.943Ν。.。48和 NaTa 0.917Μοα.02.898Να(ι83，實際產物的化學計量比基本與設計的化學計量比相近，微小的偏差可能是由EDS測試誤差導致的。
[0037]實施例15、16
[0038]將實施例8 (原料摩爾比NaOH = Ta2O5= 2.5:1，反應溫度為700°C )步驟⑴中的熔融反應時間分別改為I和10h，其他各項操作均與實施例8相同，得到產物同實施例8。
[0039]實施例17
[0040]將實施例8 (原料摩爾比NaOHiTa2O5= 2.5:1，反應溫度為700 V )步驟(I)中的反應氣氛改為氬氣，其他各項操作均與實施例8相同，得到產物同實施例8。
[0041]實施例18、19
[0042]將實施例8 (原料摩爾比NaOHiTa2O5= 2.5:1，反應溫度為700 V )步驟(2)中的烘乾溫度改為50和180°C，其他各項操作均與實施例8相同，得到產物同實施例8。
[0043]實施例21、22
[0044]將實施例8 (原料摩爾比NaOH = Ta2O5= 2.5:1，反應溫度為700°C )步驟⑵中的稀硝酸溶液分別改為體積濃度為10%的稀鹽酸和稀硫酸溶液，其他各項操作均與實施例8相同，得到產物同實施例8。
[0045]本發明未盡事宜為公知技術。
【權利要求】
1.一種鉭酸鈉的製備方法，其特徵為該方法包括以下步驟: (1)將氫氧化鈉和五氧化二鉭混合後研磨，其中，摩爾比為NaOH= Ta2O5= 2:1?8:1 ; (2)將步驟(I)中得到的混合物在空氣氣氛或者保護氣氛中以每分鐘I?30°C的速率升溫至500?800°C，然後在該溫度下熔融反應I?10小時，然後降溫至室溫得到反應產物， (3)用稀酸溶液和去離子水清洗步驟(2)得到的反應產物，然後再50?180°C烘乾即可以得到鉭酸鈉產物； 所述的稀酸溶液為稀硝酸、稀鹽酸或者稀硫酸溶液。
2.如權利要求1所述的鉭酸鈉的製備方法，其特徵為保護氣氛為氮氣、氬氣或兩者的混合氣體。
【文檔編號】B01J27/24GK104477994SQ201410766965
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月11日 優先權日:2014年12月11日
【發明者】徐學文, 王賽, 白英豪, 唐成春 申請人:河北工業大學