[發(fā)明專利]一種稀土元素?fù)诫s鈮酸鋰復(fù)合光催化材料及其制備方法與應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811514942.6
• 申請(qǐng)日: 2018-12-12
• 公開（公告）號(hào): CN109589964B
• 公開（公告）日: 2020-05-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李霞章;何承溧;沈小華;左士祥;姚超;劉文杰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 常州大學(xué)
• 主分類號(hào): B01J23/20
• 分類號(hào): B01J23/20;C01C1/04
• 代理公司: 常州市英諾創(chuàng)信專利代理事務(wù)所(普通合伙) 32258
• 代理人: 謝新萍

本發(fā)明屬于化工新材料領(lǐng)域，特別涉及一種稀土元素?fù)诫s鈮酸鋰復(fù)合光催化材料及其制備方法與應(yīng)用。通過溶膠?凝膠法將稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光元素RE摻雜進(jìn)LiNbO₃晶格。通過RE的上轉(zhuǎn)換發(fā)光效應(yīng)，將近紅外光或可見光上轉(zhuǎn)換為可見光或紫外光，間接地提高了稀土元素?fù)诫s鈮酸鋰復(fù)合光催化材料的太陽(yáng)光利用率。在LiNbO₃中引入雜質(zhì)能級(jí)降低帶寬，使其能夠在可見光波段激發(fā)，擴(kuò)大光響應(yīng)范圍，提高太陽(yáng)光的利用率，從而大大提高了稀土元素?fù)诫s鈮酸鋰復(fù)合光催化材料的光催化效果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于化工新材料領(lǐng)域，特別涉及一種稀土元素?fù)诫s鈮酸鋰復(fù)合光催化材料及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)

自然界中固定氮的方法主要是通過閃電和微生物固氮，然而自然界中固定的氮遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求。目前工業(yè)上廣泛應(yīng)用的人工固氮方法是Haber-Bosch法工業(yè)固氮產(chǎn)氨，但是該方法對(duì)設(shè)備要求高，能耗大，污染嚴(yán)重。因此，開發(fā)和發(fā)展綠色清潔，低能耗的人工固氮工藝具有重要的社會(huì)意義。隨著多相光催化技術(shù)的不斷發(fā)展，光催化固氮產(chǎn)氨技術(shù)受到了研究者廣泛的關(guān)注。

近年來，非線性光學(xué)材料在光催化領(lǐng)域得到了應(yīng)用。非線性光學(xué)材料具有通過自由電子和空穴或離子以及吸附在表面上的分子自發(fā)極化的獨(dú)特性質(zhì)。內(nèi)部偶極場(chǎng)產(chǎn)生帶電表面，然后觸發(fā)光生電荷載流子向相反方向移動(dòng)。這可以減輕電子-空穴復(fù)合的問題，與常規(guī)半導(dǎo)體相比，它改善了光催化活性和穩(wěn)定性。鈮酸鋰(LiNbO₃)作為一種特定的非線性光學(xué)材料的光催化劑，Kenji Saito等人(Dalton Trans.,2011,40)證明LiNbO₃能夠通過非線性光學(xué)特性和負(fù)導(dǎo)帶值裂解水以產(chǎn)生氫。哈爾濱工業(yè)大學(xué)Guoshuai Liu等(Environ.Sci.Technol.,2016,50)發(fā)現(xiàn)LiNbO₃可用于光催化反硝化去除硝酸鹽。

發(fā)明內(nèi)容

從熱力學(xué)角度來看，如果光催化劑具有適當(dāng)?shù)馁M(fèi)米能級(jí)和導(dǎo)帶值足夠負(fù)(小于-0.092eV)，非線性光學(xué)材料光催化劑LiNbO₃在太陽(yáng)光照射下將直接進(jìn)行光催化固氮反應(yīng)。能量越高的光照射，LiNbO₃作為非線性光學(xué)材料其二次諧波產(chǎn)生效應(yīng)使被激發(fā)的電子–空穴越不易復(fù)合。然而由于其帶隙較寬，僅可對(duì)紫外光響應(yīng)，而紫外光只占太陽(yáng)光的5％，所以LiNbO₃對(duì)太陽(yáng)光的利用率非常低下。

稀土元素(包括Ce³⁺、Pr³⁺、Er³⁺、Tm³⁺，Yb³⁺、Y³⁺、Sm³⁺、La³⁺，通式記為RE)具有上轉(zhuǎn)換發(fā)光效應(yīng)，即將數(shù)個(gè)低能量光子轉(zhuǎn)換成高能量光子。為了解決太陽(yáng)光的利用率低的問題，充分利用太陽(yáng)光能量中占多數(shù)的可見光以及近紅外光，本發(fā)明提供了一種稀土元素?fù)诫s鈮酸鋰復(fù)合光催化材料。通過溶膠-凝膠法將稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光元素?fù)诫s進(jìn)LiNbO₃晶格。一方面，稀土元素作為上轉(zhuǎn)換發(fā)光元素，可以將近紅外光或可見光上轉(zhuǎn)換為可見光或紫外光，間接地提高了稀土元素?fù)诫s鈮酸鋰復(fù)合光催化材料的太陽(yáng)光利用率。另一方面，引入雜質(zhì)能級(jí)降低帶寬，使其更容易被低能量的光激發(fā)，擴(kuò)大光響應(yīng)范圍。

本發(fā)明通過溶膠-凝膠法將稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光元素RE摻雜進(jìn)LiNbO₃晶格。通過RE的上轉(zhuǎn)換發(fā)光效應(yīng)，將近紅外光或可見光上轉(zhuǎn)換為可見光或紫外光，間接地提高了稀土元素?fù)诫s鈮酸鋰復(fù)合光催化材料的太陽(yáng)光利用率。在LiNbO₃中引入雜質(zhì)能級(jí)降低帶寬，使其能夠在可見光波段激發(fā)，擴(kuò)大光響應(yīng)范圍，提高太陽(yáng)光的利用率，從而大大提高了稀土元素?fù)诫s鈮酸鋰復(fù)合光催化材料光催化的效果。