[發明專利]微波加熱法合成鎳摻雜釩酸銦納米晶光催化劑的方法及其在可見光下分解水的應用

有效

• 申請號: 201310319320.9
• 申請日: 2013-07-26
• 公開（公告）號: CN103418394A
• 公開（公告）日: 2013-12-04
• 發明（設計）人: 閆研;施偉東;范偉強;延旭;嚴銘;胡泊;劉馨琳
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: B01J23/847
• 分類號: B01J23/847;C01B3/04
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 談敏

技術領域

本發明屬于功能無機納米材料制備技術領域，涉及一種光催化劑的制備，尤其涉及微波加熱法合成鎳摻雜釩酸銦納米晶光催化劑的方法及其在可見光下分解水的應用。

背景技術

在能源危機和環境問題雙重壓力下，發展新能源成為人類可持續發展的迫切需求。氫能因其燃燒值高，無污染的特點，成為21世紀最有可能替代化石燃料的新能源。光催化分解水制氫技術有效避免傳統工業上采用的裂解化石能源制氫和電解水制氫方式耗能高、污染大等缺點，被認為是最為理想和最有前途的氫能開發途徑。從太陽光譜組成看，紫外光區不足5%，而可見光區高達43%以上。因此，開發出可實際應用的可見光響應型半導體光解水制氫催化劑及構建光催化制氫體系是當前該技術領域中亟待解決的關鍵科學問題。

從未來的實際應用前景來看，穩定性高的可見光響應氧化物分解水制氫光催化劑更具有前途。但其中絕大部分為通過高溫固相反應獲得的體相材料，比表面積很低，是導致該類材料產氫效率一直不高的主要原因。釩酸銦是一種窄帶氧化物半導體光催化劑，其能帶間隙在2.0eV左右，具有良好的可見光活性。然而，由于量子尺寸效應，具有大比表面積的小尺寸的釩酸銦納米光催化劑往往具有較差的可見光活性。過渡金屬元素摻雜是一種有效的光催化劑改性手段，Ni原子尺寸與In原子尺寸相當，容易發生替換。通過引入雜質能級，鎳摻雜后的釩酸銦納米晶光催化劑的可見光活性大大增強，是一種較好的可見光分解水光催化劑。同時，所制得的鎳摻雜釩酸銦的尺寸為20納米，具有超小的尺寸和巨大的比表面積，提供了大量的反應活性位點，可充分與反應底物接觸，增加光生電荷的反應機會，從而提高光催化分解水的效率。

發明內容

本發明的目的是通過引入摻雜過渡金屬元素雜質，以增強釩酸銦納米晶光催化劑的可見光活性，提高可見光下分解水的產氫速率。

一種微波加熱法合成鎳摻雜釩酸銦納米晶光催化劑的方法，包括配制前驅液，然后置于微波反應器內反應，并經離心洗滌干燥而成，所述的配制前驅液，是將可溶性銦鹽和鎳鹽分別溶解成水溶液，量取銦鹽和鎳鹽水溶液到去離子水中，在攪拌下加入偏釩酸鹽固體顆粒，用稀硝酸將pH值調節至2~3之間，形成橙黃色懸濁液，繼續攪拌30min，直至將懸濁液攪拌成淡黃色乳濁液，其中銦鹽：鎳鹽：偏釩酸鹽的摩爾比為1:0~1:1，鎳鹽的摩爾數不為0；較優的，銦鹽：鎳鹽：偏釩酸鹽的摩爾比為1:0~0.2:1，鎳鹽的摩爾數不為0。

本發明所述的可溶性銦鹽為硝酸銦或氯化銦，所述的可溶性鎳鹽為硝酸鎳或氯化鎳，所述的偏釩酸鹽為偏釩酸銨或偏釩酸鈉。

本發明所述的置于微波反應器內反應是將所配制的前驅液移入燒瓶中，放置于微波反應器內攪拌，以600~1000W功率90~110℃微波加熱4~8h，加熱過程中恒定攪拌速度為2000rpm，制得黃色產物；較優的，以800W功率100℃微波加熱5h，加熱過程中恒定攪拌速度為2000rpm。

本發明所述的離心洗滌并干燥是將制得的黃色產物取出自然冷卻，撇去上層清液后離心，去離子水洗滌三次后并放入真空干燥箱中50~80℃烘干后即得。

根據本發明所公開的方法制得的鎳摻雜釩酸銦（Ni-InVO₄）納米晶光催化劑，該催化劑為20nm左右的納米晶顆粒，帶隙能為2~3.5eV。

按照本發明所述的制備方法得到的鎳摻雜釩酸銦（Ni-InVO₄）納米晶光催化劑，在可見光下可應用于分解水。

未經摻雜鎳的釩酸銦（InVO₄）納米晶光催化劑的合成方法見具體實施方式中的空白試驗，以便作為試驗對比。

光解水活性實驗：

在CEL-SPH2N光解水系統（購自北京中教金源科技有限公司）中進行，可見光照射（500W氙燈，加420nm濾光片），將200mL?0.5M硝酸銀溶液加入反應器中，然后加入50?mg光催化劑，磁力攪拌以保持催化劑處于懸浮或漂浮狀態，光照過程中間隔30min取樣分析，用F2000氣相色譜儀對產生氧氣濃度行測試，從而計算出光解水產氧的反應速率。

本發明中所用的硝酸鎳，氯化鎳，硝酸銦，氯化銦，硝酸銀，偏釩酸銨，偏釩酸鈉均為分析純，購于國藥化學試劑有限公司。

有益效果