[發明專利]CATON型可見光全解水催化劑的制備方法

有效

• 申請號: 201510052670.2
• 申請日: 2015-02-02
• 公開（公告）號: CN104888826B
• 公開（公告）日: 2017-09-22
• 發明（設計）人: 許家勝;張杰
• 申請（專利權）人: 渤海大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;C01B3/04;C01B13/02
• 代理公司: 沈陽亞泰專利商標代理有限公司21107
• 代理人: 郭元藝

技術領域

本發明屬于無機非金屬材料的制備技術領域，具體地說是涉及一種CATON型可見光全解水催化劑的制備方法。

背景技術

隨著全球人口的不斷增長和對生活期望的提高，如果社會繼續以現有方式使用能源，科學家們估計到2050年全世界的總能量消耗將翻一番以上。化石燃料是一種不可持續的資源，我們必須打破對它的依賴。其中，太陽能是最有潛力的替換能源。面臨的挑戰是：如何能使對太陽能的利用達到所需的規模。光催化全解水(photocatalytic overall water splitting)是光催化領域中的熱點研究課題。通常采用溶于溶液中的納米結構光催化劑顆粒，在溶液中通過與這些顆粒的接觸，發生一系列的化學催化反應，最終完全分解水生成氫和氧。此方法區別于采用分立的涂敷催化劑的電極來制氫和氧的常用方法。光催化全解水的最主要優點在于其使用的光催化材料比光電化學(PEC)電池所要求的材料更便宜。因此，廣泛、規模使用時更可以承受得起，工業化前景更樂觀。

在眾多的半導體光催化劑中，TiO₂因其化學性質穩定、催化活性高、無毒、價格低廉等優點，在降解污染物和消毒系統的應用領域中被認為是最具有開發前景的光催化材料。但是，TiO₂的禁帶寬度 (3.2 eV) 較寬，吸收波長主要集中在紫外光區( <387 nm)。在到達地面的太陽能中，這個波段的能量不足5%，而可見光部分的比例卻占到了太陽能的45%左右，因此TiO₂的光催化性能對太陽能的利用效率較低。此外，由于其光生電子和空穴的復合幾率較高，導致量子效率較低，從而限制了TiO₂光催化劑在實際中的應用。如何提高光催化效率并且能有效吸收可見光是光催化領域研究的焦點問題。

光催化全解水關鍵的挑戰之一是大部分光催化材料只有在用紫外光活化下才有活性，而對可見光則沒有活性。鈣鈦礦結構的過渡金屬氮氧化物（比如基于鈮和鉭的半導體材料）作為一種新型高效可見光的光催化劑也越來越得到人們的重視。由于氮原子參與能帶結構的形成，使得禁帶寬度變窄，可以作為可見光響應的半導體光催化劑（Kudo, A.; Miseki, Y., Heterogeneous photocatalyst materials for water splitting. Chem Soc Rev, 2009,38 (1): 253-278）。

發明內容

本發明旨在提供一種可見光全解水催化材料的制備方法，以解決目前可見光全光解水效率低、利用太陽能不充分的問題。本發明通過利用燃燒輔助劑，實現了低溫固相煅燒制取CATON粉體的工藝過程。通過多組對比試驗，發現了助催化劑和氮氣抑制劑在全解水反應中起著重要作用。本發明制備方法同樣可以應用于和CATON相似的光解水催化材料的化學合成研究，且具有廣闊的應用前景。

為達到上述目的，本發明是這樣實現的。

一種CATON型可見光全解水催化劑的制備方法，系將可溶性鈣鹽、可溶性鋁鹽、可溶性鉭鹽及燃燒輔助劑在甲醇水混合溶液中充分溶解后，直接在馬弗爐中程序升溫發生燃燒反應，并在高溫階段保持一定時間，自然冷卻后形成前驅物，然后將所述前驅物進行氮化高溫處理后，得到CaAl_1/4Ta_3/4O_5/2N_1/2鈣鈦礦型（ABX₃）氮氧化物固溶體，可以認為是50%的CaTaO₂N和50%的CaAl_1/2Ta_1/2O₃所形成的固溶體材料，縮寫為CATON；以CaAl_1/4Ta_3/4O_5/2N_1/2主催化劑，光照攪拌后，先負載助催化劑，再包覆氮氣抑制劑，即制成目的產物。

作為一種優選方案，本發明將可溶性鈣鹽、可溶性鋁鹽、可溶性鉭鹽及燃燒輔助劑的摩爾比為4：1：3：20～200。

進一步地，本發明所述可溶性鈣鹽為氯化鈣或硝酸鈣中的一種或其混合物。

進一步地，本發明所述可溶性鋁鹽為氯化鋁或硝酸鋁中的一種或其混合物。

進一步地，本發明所述可溶性鉭鹽為五氯化鉭或五乙氧基鉭中的一種或其混合物。

進一步地，本發明所述燃燒輔助劑為尿素或檸檬酸中的一種或其混合物。