[發(fā)明專利]一種ZnS-CaTaO2N復(fù)合光催化劑及其制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310644499.5
• 申請日: 2013-12-05
• 公開（公告）號(hào): CN103638958A
• 公開（公告）日: 2014-03-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 呂華;劉玉民;李爽;丁志偉;湯海波;李紫金
• 申請（專利權(quán)）人: 河南師范大學(xué)
• 主分類號(hào): B01J27/24
• 分類號(hào): B01J27/24
• 代理公司: 新鄉(xiāng)市平原專利有限責(zé)任公司 41107
• 代理人: 路寬

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無機(jī)環(huán)保光催化材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種ZnS-CaTaO₂N復(fù)合光催化劑及其制備方法。

背景技術(shù)

利用納米半導(dǎo)體光催化降解有機(jī)污染物具有效率高、能耗低、反應(yīng)條件溫和、適用范圍廣和二次污染少等優(yōu)點(diǎn)，引起越來越多的研究者的重視。由于無毒、成本低且具有獨(dú)特的物理與化學(xué)性能，以ZnS為代表的光催化氧化材料是一種用于光催化處理污水的新型材料。ZnS是一種II-VI族化合物直接帶隙半導(dǎo)體材料，禁帶寬度為3.6?eV，只有在波長小于344?nm的紫外線下才能激發(fā)其催化活性。在到達(dá)地面的太陽能中，這一波段的能量尚不足5%，而可見光部分的比例卻占到太陽能的45%?左右。此外，ZnS光催化劑在光催化過程中光生電子和空穴容易復(fù)合，催化效率低。因此，如何拓寬ZnS光催化劑光譜響應(yīng)范圍、提高其光量子效率成為光催化學(xué)科研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

CaTaO₂N是一種過渡金屬氧氮化物，由于二價(jià)氧元素部分被電負(fù)性較小的三價(jià)氮元素取代，金屬陽離子或多或少被還原，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，CaTaO₂N因而表現(xiàn)出新的光、電、磁,?力學(xué)性能。研究表明，CaTaO₂N的禁帶寬度為2.4?eV，能吸收波長小于517?nm的可見光。為了拓寬ZnS的光譜響應(yīng)范圍，將其與具有理想帶隙的CaTaO₂N相復(fù)合，利用兩種半導(dǎo)體之間的能級(jí)差能使光生截流子由一種半導(dǎo)體微粒的能級(jí)注入到另一種半導(dǎo)體的能級(jí)上，使電荷有效分離，是提高ZnS太陽能利用率和光量子效率的有效途徑。ZnS光催化劑的導(dǎo)帶電勢E_CB=-1.04?eV，價(jià)帶電勢E_VB=2.56?eV，而CaTaO₂N光催化劑的導(dǎo)帶電勢E_CB=-1.26?eV，價(jià)帶電勢E_VB=1.34?eV。在ZnS/CaTaO₂N復(fù)合半導(dǎo)體中，CaTaO₂N的導(dǎo)帶電勢更負(fù)，光生電子容易從能級(jí)低的CaTaO₂N導(dǎo)帶遷移到能級(jí)高的ZnS導(dǎo)帶上；同時(shí)，ZnS的價(jià)帶電勢更正，光生空穴容易從能級(jí)高的ZnS價(jià)帶遷移到能級(jí)低的CaTaO₂N價(jià)帶上，從而提高光生電荷的分離率，擴(kuò)展了ZnS的光譜響應(yīng)范圍。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供了一種太陽能利用率高，光催化活性好的ZnS-CaTaO₂N復(fù)合光催化劑。

本發(fā)明解決的另一個(gè)技術(shù)問題是提供了一種操作簡單且易于實(shí)現(xiàn)的ZnS-CaTaO₂N復(fù)合光催化劑的制備方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種ZnS-CaTaO₂N復(fù)合光催化劑，其特征在于是由ZnS與CaTaO₂N粉體復(fù)合而形成的ZnS-CaTaO₂N復(fù)合光催化劑，其中ZnS與CaTaO₂N的摩爾比為5-15:1。

本發(fā)明所述的ZnS-CaTaO₂N復(fù)合光催化劑的制備方法，其特征在于包括以下步驟：（1）將五氯化鉭、碳酸鈣和檸檬酸按摩爾比1:1:10的比例用無水甲醇配成混合溶液A，在攪拌的條件下在混合溶液A中加入乙二醇形成混合溶液B，其中乙二醇的加入量為混合溶液A中檸檬酸摩爾量的5倍，然后將混合溶液B在30℃的水浴中保持2小時(shí)得濕凝膠，濕凝膠經(jīng)120℃干燥得干凝膠；（2）將步驟（1）所得的干凝膠在空氣氣氛下500℃煅燒2小時(shí)，然后在氨氣氣氛下950℃煅燒20小時(shí)得CaTaO₂N粉體；（3）配制硝酸鋅溶液，在攪拌的條件下將步驟（2）所得CaTaO₂N粉體加入到硝酸鋅溶液中得混合溶液C，其中硝酸鋅與加入的CaTaO₂N粉體的摩爾比為5-15:1；（4）配制硫脲溶液，在攪拌的條件下，按照硫脲與硝酸鋅的摩爾比為1:1的比例將硫脲溶液滴加到混合溶液C中形成混合溶液D；（5）將混合溶液D轉(zhuǎn)移到水熱反應(yīng)釜中，經(jīng)150-180℃保持6-24后小時(shí)后得到具有高催化活性的ZnS-CaTaO₂N復(fù)合光催化劑。