本發明專利技術公開了一種層狀鈣鈦礦型光催化劑的合成方法，步驟為：(1)將SrCl
【技術實現步驟摘要】
一種層狀鈣鈦礦型光催化劑的合成方法及其應用
本專利技術涉及一種層狀鈣鈦礦型光催化劑的合成方法及其應用，屬于光催化劑領域。
技術介紹
隨著世界人口的持續增加和工業化的高速發展，能源消耗和能源需求居高不下，隨之導致的能源危機和環境污染這兩大問題越來越引起人們的注意。近幾年來，光催化技術發展迅速，其污染物分解效率與產氫效率不斷提升。然而目前絕大部分半導體材料的光生載流子壽命短、平均擴散長度短，其光生電子空穴對分離效率低，光催化活性較低，它們的光催化性能還遠遠不能滿足實際應用的需求。鈣鈦礦材料在可見光范圍內表現出較高的光吸收率和能量轉換效率，在光伏、光催化等可再生能源生產中顯示出很好的應用前景。Sr2Bi4Ti5O18位于傳統鐵電、層狀鉍基半導體和鈣鈦礦結構晶體的交叉點，集諸多優點于一身，顯示出巨大的光催化潛力。然而，目前對Sr2Bi4Ti5O18的研究主要集中在其在鐵電陶瓷中的應用，并沒有應用于光催化領域。
技術實現思路
為解決上述問題，本專利技術提出了一種層狀鈣鈦礦型光催化劑的合成方法，該層狀鈣鈦礦型光催化劑的化學式為：Sr2Bi4Ti5O18；該合成方法包括如下步驟：(1)將SrCl2·6H2O、鉍源和鈦酸四丁酯溶于硝酸溶液，得到原料液；(2)將所得原料液滴加于氫氧化鈉溶液中，然后進行水熱合成，得到白色懸濁液；(3)將懸濁液冷卻、過濾，取濾渣，將濾渣洗滌、干燥后獲得層狀鈣鈦礦型Sr2Bi4Ti5O18。步驟(2)中，在完成原料液到氫氧化鈉溶液的滴加后，要繼續攪拌30-120分鐘，在使反應充分進行的同時，還可以將反應熱及時地排出，避免酸堿中和反應時所釋放出的熱量過大，影響后續水熱反應的順利進行。濃氫氧化鈉溶液的強堿性使鈦酸四丁酯水解成溶解的鈦酸鹽，均勻的反應溶液有利于納米結構的形成。進一步水熱反應使反應物溶解—再結晶達到原子級別的均勻混合。具體地，鉍源為硝酸鉍或硫酸鉍。本申請的制備工藝簡單，反應可控性好，所形成的層狀鈣鈦礦型Sr2Bi4Ti5O18吸光能力強，吸光范圍廣，光生載流子活性高，光催化產氫能力強是傳統TiO2的3.2倍以上，是固相燒結合成的2.8倍以上，是Bi4Ti3O12的2倍以上。Sr2Bi4Ti5O18是典型的鉍層狀鈣鈦礦結構鐵電材料，其基本結構特點是5層鈣鈦礦層中被插入了一層螢石結構的鉍氧層(Bi2O2)2+，由于鉍氧層的插入，該材料體系表現出明顯的各向異性，這種各向異性使得材料體系在合成制備的過程中傾向于形成高表面積的納米片形貌；其價帶能級由高度離散的Bi6s和O2p雜化軌道組成，這種高度離散的軌道能級更利于光生空穴的遷移和相應的光催化氧化反應。并且由于鉍氧層的存在，使得Sr2Bi4Ti5O18具有非常高的結構和性能可調性。合理利用摻雜等手段或許能夠一定程度上提高其鐵電性能，這對有效分離光生載流子、提高光催化活性非常有利，但是現有的Sr2Bi4Ti5O18產品卻無法作為光催化劑使用。經試驗發現，現有的Sr2Bi4Ti5O18產品由于主要應用于鐵電陶瓷，Sr2Bi4Ti5O18的生產均是通過高溫固相反應合成，這導致產品的粒徑較大，有效反應點位不足，無法有效地吸收光子，并產生光生載流子。而采用水熱合成法所生產的Sr2Bi4Ti5O18產品，具有合適的禁帶寬度和納米結構，能夠最大限度地有效吸收光子，并產生光生載流子，從而具有光催化劑的功能。水熱合成相比于固相燒結晶體的生長缺陷少、取向好，合適的尺寸大小有效減少了光生電子與空穴的復合，Sr2Bi4Ti5O18的自發鐵電極化進一步促進了光生電子與空穴的分離與遷移，大大增加了其光催化性能。具體地，水熱合成的溫度為180-240℃，時間為24-72h。在該條件下，所合成的Sr2Bi4Ti5O18呈現片狀形貌。在該溫度與時間范圍內，利于Sr2Bi4Ti5O18的合成并減少雜項的產生，并隨著溫度的增加與時間的延長，提高結晶度。具體地，硝酸溶液的濃度為4-5mol/L，氫氧化鈉溶液的濃度為6-9mol/L。硝酸溶液與氫氧化鈉溶液的體積比為1:1-1:1.2。在上述硝酸溶液濃度下，可以快速而充分的溶解金屬離子，但是層狀鈣鈦礦型Sr2Bi4Ti5O18在酸性條件下無法合成，為彌補這一缺陷，利用上述濃度的氫氧化鈉來提供反應所需要的強堿環境，以獲得所希望的產品。在上述硝酸溶液濃度、氫氧化鈉溶液濃度以及硝酸溶液與氫氧化鈉溶液的體積比的限定下，可獲得所希望的產品。在堿濃度不夠或者過堿的時候，產物雜質過多，不利于純相產物的獲得。上述的硝酸溶液與氫氧化鈉溶液的體積比在保證提高有效堿濃的情況下，還起到及時吸收反應熱的功能，足量的溶液體積，能夠及時吸收反應熱，避免在滴加過程中，由于溶液溫度急劇升高，而導致溶液揮發以及溶液中的一些前驅物高溫分解。進一步，濾渣的干燥溫度為60-80℃，干燥時間為7-10h。在水熱合成后，自然冷卻到室溫后，再進行過濾。在上述溫度下，可以使水熱反應后產物快速干燥而不影響產物結構。上述任一項所述的層狀鈣鈦礦型Sr2Bi4Ti5O18作為光催化劑應用。根據本專利技術提供的層狀鈣鈦礦型Sr2Bi4Ti5O18光催化劑的制備方法，制備得到均為純相，呈現規則片狀形貌，提供了光催化反應的活性位點，而且，制得的光催化劑材料的分解水性能均比傳統光催化劑優異，且合成條件溫和、產物純度高、晶粒發育完整、粒徑小且分布均勻、形貌可控性強，合成路線和裝置簡單，有利于實現規模化生產。附圖說明圖1為實施例4所合成的Sr2Bi4Ti5O18的X射線衍射(XRD)圖。圖2為實施例4所合成的Sr2Bi4Ti5O18的掃描電鏡(SEM)圖。具體實施方式實施例11、量取30mL4mol/L硝酸溶液倒于燒杯中，按Sr2Bi4Ti5O18的化學計量比稱取1.5mmolSrCl2·6H2O、1.5mmolBi2(SO4)3、3.75mmol鈦酸四丁酯溶于硝酸溶液中，攪拌10min，得到原料液。2、稱7.2gNaOH溶于30mL去離子水中，攪拌5min，待其冷卻至室溫，得到氫氧化鈉溶液。3、邊攪拌邊用滴管將原料液滴于氫氧化鈉溶液中，滴加完成后，再攪拌30min使其混合均勻后移入100mL水熱反應釜，在180℃條件下保溫72h。反應完成后，將反應液冷卻到常溫，然后離心取沉淀，用乙醇和去離子水各洗滌3次，60℃烘箱干燥10h，研磨成粉，制得Sr2Bi4Ti5O18光催化劑1#。檢測：將40mgSr2Bi4Ti5O18光催化劑1#、40mg傳統光催化劑TiO2、40mg光催化劑Bi4Ti3O12和40mg固相燒結Sr2Bi4Ti5O18分別投入甲醇溶液中，制成四種測試溶液，然后將四種測試溶液在500W中壓汞燈照射5h后，測得Sr2Bi4Ti5O18光催化劑1#催化生成16μmolH2，Bi4Ti3O12光催化劑催化生成7.9μmolH2，而固相燒結合成的Sr2Bi4Ti5O18催化生成H25.6μmol，TiO2光催化劑催本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種層狀鈣鈦礦型光催化劑的合成方法，其特征在于，/n該層狀鈣鈦礦型光催化劑的化學式為：Sr
【技術特征摘要】
1.一種層狀鈣鈦礦型光催化劑的合成方法，其特征在于，
該層狀鈣鈦礦型光催化劑的化學式為：Sr2Bi4Ti5O18；
該合成方法包括如下步驟：
(1)將SrCl2·6H2O、鉍源和鈦酸四丁酯溶于硝酸溶液，得到原料液；
(2)將所得原料液滴加于氫氧化鈉溶液中，然后進行水熱合成，得到白色懸濁液；
(3)將懸濁液冷卻、過濾，取濾渣，將濾渣洗滌、干燥后獲得層狀鈣鈦礦型Sr2Bi4Ti5O18。
2.根據權利要求1所述的合成方法，其特征在于，水熱合成的溫度為180-240℃，時間為24-72h。
...
【專利技術屬性】
技術研發人員：師紅旗，張健，郎俊杰，湯濤，丁毅，沈曉冬，
申請(專利權)人：南京工業大學，江蘇瑞盈新材料科技發展有限公司，
類型：發明
國別省市：江蘇;32
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