一種可見光響應(yīng)的鈦酸鐵鈉光催化材料及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可見光響應(yīng)的鈦酸鐵鈉光催化材料，尤其涉及NaFeTi3O8及其制備方法和應(yīng)用，屬于無機(jī)光催化材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的飛速發(fā)展，以煤、石油和天然氣為主的傳統(tǒng)化石能源的消耗量急劇上升，出現(xiàn)了能源枯竭，能源危機(jī)，同時導(dǎo)致一系列嚴(yán)重的環(huán)境問題，光催化技術(shù)具有低成本、環(huán)境友好等特點(diǎn)，因而成為未來高新技術(shù)的新希望。
[0003]光催化材料是指在光作用下可以誘發(fā)光氧化還原反應(yīng)的一類半導(dǎo)體材料，而半導(dǎo)體光催化技術(shù)因其能夠在清潔能源制備和環(huán)境凈化方面有很好的應(yīng)用前景而倍受關(guān)注，它的基本物理過程如下:當(dāng)半導(dǎo)體吸收能量大于其帶隙(Eg)的光子時，其價帶上的電子(e )會被激發(fā)到導(dǎo)帶上，同時在價帶上產(chǎn)生空穴(h+);產(chǎn)生的電子和空穴發(fā)生分離，并迀移到半導(dǎo)體光催化材料的表面，參與氧化還原反應(yīng)。目前，所研究的光催化材料已經(jīng)不足以指導(dǎo)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，另一方面，現(xiàn)有光催化材料的光響應(yīng)范圍窄，量子轉(zhuǎn)換效率低，太陽能利用率低，這些依然是制約光催化材料應(yīng)用的關(guān)鍵所在。紫外光在太陽能譜中只占大約5%，而可見光占約45%，因此，尋找具有可見光響應(yīng)的高量子轉(zhuǎn)換效率的光催化材料成為目前光催化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。
[0004]為了與傳統(tǒng)的二氧化鈦等具有紫外光響應(yīng)的光催化材料相區(qū)別，可見光響應(yīng)的光催化材料被稱之為新型光催化材料?？梢姽忭憫?yīng)的復(fù)雜金屬氧化物光催化材料體系主要有
(I)Ag鹽氧化物光催化材料體系；(2)復(fù)合光催化材料體系；(3)釩酸鹽光催化材料體系；
[4]銻酸鹽催化材料體系。同時，大量的鈦酸鹽光催化材料也被廣泛研究，如SrT13作為一種半導(dǎo)體材料，能帶結(jié)構(gòu)是由一個充滿電子的低能價帶和一個空的高能導(dǎo)帶構(gòu)成，價帶和導(dǎo)帶之間由禁帶分開，可用作光催化劑，在水的光催化處理、環(huán)境污染物的氣一固光催化氧化等環(huán)境凈化技術(shù)中得到應(yīng)用。通過摻鐵改性的1102可吸收一定量的可見光，其光催化活性也比T12有所提高。如中國專利CN101574653A報道了一種具有可見光響應(yīng)的光催化材料Bi20T132;又如中國專利CN101214441A發(fā)明了一種Bi 5FeTi3015光催化材料，因具有較高的比表面積，均勻的顆粒，在可見光響應(yīng)下光催化活性較好。
[0005]在此基礎(chǔ)上，本工作對鈦酸鐵鈉NaFeTi3O8材料的光催化活性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)該化合物具有優(yōu)異的可見光響應(yīng)的光催化性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對上述現(xiàn)存的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種制備工藝簡單，生產(chǎn)成本低，同時可以實(shí)現(xiàn)紫外光光催化的鈦酸硅酸銫光催化劑及其制備方法和應(yīng)用。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種可見光響應(yīng)的鈦酸鐵鈉光催化材料，化學(xué)組成通式為NaFeTi3O8，平均粒徑在80?100納米。
[0008]本發(fā)明又提供一種上述可見光響應(yīng)的鈦酸鐵鈉光催化材料的制備方法，采用高溫固相法，包括如下具體步驟:
(1)按化學(xué)組成通式NaFeTi3O8中對應(yīng)元素的化學(xué)計量比，分別稱取含鈉離子的化合物、含鐵離子的化合物、含鈦離子的化合物，通過研磨均勻混合各原料；
(2)將步驟(I)得到的混合物第一次煅燒，煅燒溫度為200?500°C，煅燒時間為I?20小時，煅燒氛圍為空氣氣氛，自然冷卻后，研磨并混合均勻；
(3)將步驟(2)得到的混合物第二次煅燒，煅燒溫度為550?950°C，煅燒時間為I?20小時，煅燒氛圍為空氣氣氛，自然冷卻后，再次研磨并混合均勻；
(4)將步驟(3)得到的混合物第三次煅燒，煅燒溫度為1000?1350°C，煅燒時間為I?20小時，煅燒氛圍為空氣氣氛，自然冷卻后，研磨均勻后即得到鈦酸鐵鈉光催化材料NaFeTi3O8 粉末。
[0009]進(jìn)一步，所述的含鈉元素的化合物為氧化鈉、碳酸鈉、氫氧化鈉、碳酸氫鈉氯化鈉中的一種；所述的含有鐵元素的化合物為四氧化三鐵、三氧化二鐵、氫氧化鐵、氯化鐵中的一種；所述的含有鈦元素的化合物為二氧化鈦。
[0010]更進(jìn)一步，步驟(2)所述的煅燒溫度為250?500°C，煅燒時間為2?19小時；步驟(3)所述的煅燒溫度為600?950°C，煅燒時間為2?19小時；步驟(4)所述的煅燒溫度為1000?1300°C，煅燒時間為2?19小時。
[0011]本發(fā)明再提供一種上述可見光響應(yīng)的鈦酸鐵鈉光催化材料的制備方法，采用溶膠凝膠法，包括以下步驟:
(A)將含鈦物質(zhì)溶于無水乙醇中，然后再加入冰醋酸，調(diào)節(jié)pH=2?4，充分?jǐn)嚢鐸小時，配制成含鈦溶液；
(B)將含鐵、含鈉物質(zhì)分別溶解于稀硝酸中，充分?jǐn)嚢鐸小時，配制成鐵鹽、鈉鹽溶液；
(C)在攪拌下，將步驟(B)制得的鐵鹽、鈉鹽溶液分別緩慢加入到步驟(A)所得的含鈦溶液中，繼續(xù)攪拌I小時，并且混合溶液中鈉、鐵與鈦的摩爾比例為1:1:3 ;
(D)將步驟(B)所得的溶液在室溫下陳化形成透明凝膠，然后放置烘箱中80?90°C干燥，得到前驅(qū)體；
(E)將前驅(qū)體放入馬弗爐中煅燒，煅燒溫度為1000?1250°C，煅燒時間為2?20小時，自然冷卻后，研磨均勻即得到一種鈦酸鐵鈉光催化材料NaFeTi3O8粉末。
[0012]進(jìn)一步，所述的含鈉元素的化合物為氧化鈉、碳酸鈉、碳酸氫鈉、硝酸鈉、氫氧化鈉、氯化鈉中的一種；所述的含有鐵元素的化合物為三氧化二鐵、四氧化三鐵、硝酸鐵、氫氧化鐵、氯化鐵中的一種；所述的含有鈦元素的化合物為鈦酸四丁酯、鈦酸異丙酯中的一種。
[0013]更進(jìn)一步，步驟(E)所述的煅燒溫度為1000?1200°C，煅燒時間為3?19小時。
[0014]本發(fā)明另提供一種上述可見光響應(yīng)的鈦酸鐵鈉光催化材料的作為無機(jī)光催化材料的應(yīng)用。該鈦酸鐵鈉NaFeTi3O8光催化材料在可見光照射下能夠有效分解多種有機(jī)污染物，光催化活性高，是一種良好的光催化材料。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)方案相比，本發(fā)明技術(shù)方案優(yōu)點(diǎn)在于:
1、NaFeTi3O8作為一種可見光響應(yīng)的光催化材料，具有可見光響應(yīng)這一特征，吸收光波長范圍較寬，太陽光利用率較高。
[0016]2、本發(fā)明所制備的NaFeT i 308光催化劑顆粒均勾，尺寸為納米級，穩(wěn)定性較好，具有較好的光催化性能。
[0017]3、本發(fā)明所采用的NaFeTi3O8光催化材料的制備方法簡單，成本較低。
[0018]4、本發(fā)明制備過程無廢水廢氣排放，對環(huán)境友好，且易于工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1所制得的NaFeTi3O8樣品的X射線粉末衍射圖譜；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例1所制得的NaFeTi3O8樣品的SEM (掃描電子顯微鏡)圖譜；
圖3為本發(fā)明實(shí)施例1所制得的NaFeTi3O8樣品紫外-可見漫反射光譜的初始圖；
圖4為本發(fā)明實(shí)施例1所制得的NaFeTi3O8樣品在光照時對有機(jī)染料亞甲基藍(lán)的降解曲線；
圖5為本發(fā)明實(shí)施例1所制得的NaFeTi3O8樣品降解亞甲基藍(lán)的動力學(xué)曲線圖。
[0020]圖6為本發(fā)明實(shí)施例5所制得的NaFeTi3O8樣品的X射線粉末衍射圖譜；
圖7為本發(fā)明實(shí)施例5所制得的NaFeTi3O8樣品的SEM (掃描電子顯微鏡)圖譜；
圖8為本發(fā)明實(shí)施例5所制得的NaFeTi3O8樣品紫外-可見漫反射光譜的初始圖；
圖9為本發(fā)明實(shí)施例5所制得的NaFeTi3O8樣品在光照時對有機(jī)染料亞甲基藍(lán)的降解曲線；
圖10為本發(fā)明實(shí)施例5所制得的NaFeTi3O8樣品降解亞甲基藍(lán)的動力學(xué)曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0022]本發(fā)明鈦酸鐵鈉光催化劑的化學(xué)式為NaFeTi3O8，可以采用固相法、溶膠-凝膠法制備，具體實(shí)施方法如下。
[0023]實(shí)施例1:
采用高溫固相法制備NaFeTi3O8,即把作為原料的各種氧化物或碳酸鹽按照目標(biāo)組成化學(xué)計量比進(jìn)行混合，再在常壓下于空氣氣氛中合成。
[0024]根據(jù)化學(xué)式NaFeTi3O8，分別稱取氧化鈉Na2O:0.62克，四氧化三鐵Fe3O4:1.54克，二氧化鈦Ti02:4.79克，將原料在瑪瑙研缽中研磨并混合均勻后進(jìn)行第一次煅燒，煅燒溫度為250°C，煅燒時間5小時，氛圍為空氣氣氛，取出樣品自然冷卻；將第一次煅燒的樣品研磨均勻后進(jìn)行第二次煅燒，煅燒溫度為600°C，煅燒時間10小時，氛圍為空氣氣氛，取出樣品自然冷卻；將樣品研磨均勻后在空氣氛圍中進(jìn)行第三次煅燒，煅燒溫度為1000°C，煅燒時間19小時，即得到NaFeTi3O8粉末。
[0025]參見附圖1，實(shí)施例1所制備樣品的X射線粉末衍射圖譜，XRD測試結(jié)果顯示，與標(biāo)準(zhǔn)卡片對比，所制備的鈦酸鐵鈉NaFeTi3O8為單相材料，并且結(jié)晶性較好；
參見附圖2，本實(shí)施例1制備樣品的SEM (掃描電子顯微鏡)圖譜，從圖中可以看出，NaFeTi3O8樣品顆粒均勻，粒徑約為100納米；
參見附圖3，本實(shí)施例1制備樣品的紫外-可見漫反射光譜，從圖中可以看出，該NaFeTi3O8樣品吸收光波長范圍較寬，能夠有效吸收可見光；
參見附圖4，本實(shí)施例1制備樣品在不同的光照時間下對有機(jī)染料亞甲基藍(lán)的降解曲線。從圖中可以看出，該NaFeTi3O8樣品光催化降解亞甲基藍(lán)的降解率240分鐘達(dá)到75%，說明制備出的鈦酸鐵鈉NaFeTi3O8材料具有一定的光催化活性；
參見附圖5，本實(shí)施例1所制備樣品降解亞甲基藍(lán)的動力學(xué)曲線圖，從圖中可以看出，該NaFeTi3O8樣品光催化降解亞甲基藍(lán)的表觀動力學(xué)速率常數(shù)為0.0066分鐘、
[0026]實(shí)施例2:
采用高溫固相法制備NaFeTi3O8,根據(jù)化學(xué)式NaFeTi3O8,分別稱取碳酸鈉Na2CO3=L 06克，三氧化二鐵Fe2O3 = L 60克，二氧化鈦Ti02:4.79克，將原料在瑪瑙研缽中研磨并混合均勻后進(jìn)行第一次煅燒，煅燒溫度為500°C，煅燒時間2小時，氛圍為空氣氣氛，取出樣品自然冷卻；將第一次煅燒的樣品研磨均勻后進(jìn)行第二次煅燒，煅燒溫度為950°C，煅燒時間17小時，氛圍為空氣氣氛，取出樣品自然冷卻；將樣品研磨均勻后在空氣氛圍中進(jìn)行第三次煅燒，煅燒溫度為1300°C，煅燒時間12小時，即得到NaFeTi3O8粉末。
[0027]經(jīng)觀測，本實(shí)施例2制備的NaFeTi3O8樣品的主要結(jié)構(gòu)形貌、紫外-可見漫反射光譜、對亞甲基藍(lán)的降解率和降解亞甲基藍(lán)的動力學(xué)曲線與實(shí)施例1相似。
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