合成GaN:ZnO固溶體光催化劑的方法
【專利摘要】合成GaN:ZnO固溶體光催化劑的方法，它涉及一種合成光催化劑的方法。本發(fā)明是為了解決高溫氮化法合成的氮化物形貌及粒徑難控制的技術問題。本方法如下：一、稱取Ga2O3、ZnO和熔鹽置于瑪瑙研缽中，在室溫下研磨30～60分鐘，得固體粉末；二、將固體粉末在氨氣流速為100～250mL/min、溫度為800～1000℃的條件下煅燒6～24小時；三、在氨氣氣氛下冷卻至室溫后取出，經(jīng)洗滌干燥后，得到GaN:ZnO固溶體光催化劑；本發(fā)明得到的復合光催化劑呈中空多面體，本發(fā)明方法的原料價格低，反應壓力小，裝置簡易，并且操作簡單，無需負載貴金屬，且材料粉體顆粒均勻、純度高。本發(fā)明屬于光催化劑的制備領域。
【專利說明】合成GaN: ZnO固溶體光催化劑的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種合成光催化劑的方法。
【背景技術】
[0002]隨著有限的化石燃料與人類劇增的能源需求之間的矛盾加劇以及環(huán)境問題的日益突出，開發(fā)清潔、高效的可再生新能源已經(jīng)刻不容緩。氫能具有高燃燒值、燃燒產(chǎn)物無污染、無臭無毒等優(yōu)點，是解決現(xiàn)階段能源危機和環(huán)境污染的理想能源。H2可直接作為燃料電池的燃料，為電動車提供動力，解決當前的尾氣污染問題，也可將氫能直接轉化為電能，為用電器供電，解決能源問題。而電解水制氫成本較高，高溫熱解水制氫能量轉化效率低、可行性較差，都難以發(fā)展為大規(guī)模生產(chǎn)氫氣的技術。太陽能是取之不盡，用之不竭的可再生能源，利用太陽能光催化分解水制氫，將能量密度低、分散性強的太陽能轉化為氫能，再通過燃料電池將生成的H2和O2進行電化學反應，產(chǎn)生電能，其產(chǎn)物水又可作為太陽能制氫的原料，且對環(huán)境不會產(chǎn)生任何污染，可形成良性循環(huán)的能源體系。而我國的太陽能資源非常豐富，開發(fā)潛力巨大。在太陽光譜中，紫外光占總能量的5%,波長λ>420ηπι的可見光占43%,因此利用可見光進行光催化分解水制氫是未來制氫研究的重點，受到國際社會的高度關注。
[0003]在過去幾十年，金屬氮化物和氮氧化合物的光催化劑對水分解已被廣泛研究。然而，當前合成具有可控的化學成分，尺寸和良好形貌的單分散金屬氮化物和氮氧化合物的光催化劑仍然是一個挑戰(zhàn)。其中，加入銠鉻混合氧化物助催化劑的改性GaN = ZnO固溶體顯示出在可見光照射下分解水的高性能和穩(wěn)定性。在高溫下氮化氧化鎵和氧化鋅粉末是一種常用的制備GaN = ZnO固溶體的方法，通過這種方法制備的樣品的形貌是難以控制的。近年來，一些修飾方法已經(jīng)被開發(fā)用于制備GaN = ZnO固溶體。已經(jīng)有人報導制備出納米晶和六角納米片GaN = ZnO固溶體。然而，這些制備過程中需要一些前驅體。并且高溫氮化法合成氮化物形貌以及粒徑難控制的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了解決高溫氮化法合成的氮化物形貌及粒徑難控制的技術問題，提供了一種合成GaN = ZnO固溶體光催化劑的方法。
[0005]合成GaN: ZnO固溶體光催化劑的方法如下:
[0006]一、稱取Ga2O3、ZnO和熔鹽置于瑪瑙研缽中，在室溫下研磨30?60分鐘，得固體粉末；
[0007]二、將固體粉末在氨氣流速為100?250mL/min、溫度為800?1000°C的條件下煅燒6?24小時；
[0008]三、在氨氣氣氛下冷卻至室溫后取出，經(jīng)洗滌干燥后，得到GaN = ZnO固溶體光催化劑；
[0009]步驟一中Ga203、ZnO與熔鹽的質量比為0.47:0.54:0.505?2.02。[0010]本發(fā)明采用的鹽熔化合成是一種將熔融無機鹽作為介質，將常規(guī)的液相合成發(fā)展成一種重要的合成方法。而且與傳統(tǒng)的水熱、溶劑熱法相比，熔鹽法可有效縮短反應的時間、降低設備要求和工藝難度、提高結晶度等優(yōu)勢。
[0011]本發(fā)明得到的復合光催化劑呈中空多面體，本發(fā)明方法的原料價格低，反應壓力小，裝置簡易，并且操作簡單，無需負載貴金屬，且材料粉體顆粒均勻、純度高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是實驗一制備的GaN = ZnO固溶體光催化劑的XRD圖；
[0013]圖2是實驗一制備的GaN = ZnO固溶體光催化劑的SEM圖；
[0014]圖3是實驗一制備的GaN = ZnO固溶體光催化劑的SEM圖；
[0015]圖4是實驗一制備的GaN = ZnO固溶體光催化劑的TEM圖；
[0016]圖5是實驗一制備的GaN = ZnO固溶體光催化劑的SAED圖；
[0017]圖6是實驗一制備的GaN = ZnO固溶體光催化劑氮吸附脫附等溫線，圖中.表示脫附曲線，?表示吸附曲線；
[0018]圖7是實驗一制備的GaN = ZnO固溶體光催化劑相應的孔徑分布曲線圖；
[0019]圖8是實驗一制備的GaN = ZnO固溶體光催化劑的紫外-可見吸收光譜圖；
[0020]圖9是實驗一制備的GaN = ZnO固溶體光催化劑的不同光催化劑的光催化活性的光譜圖。
【具體實施方式】`
[0021]本發(fā)明技術方案不局限于以下所列舉【具體實施方式】，還包括各【具體實施方式】間的任意組合。
[0022]【具體實施方式】一:本實施方式合成GaN = ZnO固溶體光催化劑的方法如下:
[0023]一、稱取Ga2O3、ZnO和熔鹽置于瑪瑙研缽中，在室溫下研磨30~60分鐘，得固體粉末；
[0024]二、將固體粉末在氨氣流速為100~250mL/min、溫度為800~1000°C的條件下煅燒6~24小時；
[0025]三、在氨氣氣氛下冷卻至室溫后取出，經(jīng)洗滌干燥后，得到GaN = ZnO固溶體光催化劑；
[0026]步驟一中Ga203、ZnO與熔鹽的質量比為0.47:0.54:0.505~2.02。
[0027]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是步驟一中所述的熔鹽為氯化鈉、氯化鉀、碳酸鈉或碳酸鉀。其它與【具體實施方式】一相同。
[0028]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二之一不同的是步驟一中的研磨時間為40分鐘。其它與【具體實施方式】一或二之一相同。
[0029]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一至三之一不同的是步驟一中Ga203、Zn0與熔鹽的質量比為0.47:0.54:1。其它與【具體實施方式】一至三之一相同。
[0030]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一至四之一不同的是步驟二中氨氣流速為120~220mL/min。其它與【具體實施方式】一至四之一相同。
[0031]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】一至五之一不同的是步驟二中氨氣流速為200mL/min。其它與【具體實施方式】一至五之一相同。
[0032]【具體實施方式】七:本實施方式與【具體實施方式】一至六之一不同的是步驟二中在溫度為820?950°C的條件下煅燒。其它與【具體實施方式】一至六之一相同。
[0033]【具體實施方式】八:本實施方式與【具體實施方式】一至七之一不同的是步驟二中在溫度為900°C的條件下煅燒。其它與【具體實施方式】一至七之一相同。
[0034]【具體實施方式】九:本實施方式與【具體實施方式】一至八之一不同的是步驟二中煅燒時間為10?20小時。其它與【具體實施方式】一至八之一相同。
[0035]【具體實施方式】十:本實施方式與【具體實施方式】一至九之一不同的是步驟二中煅燒時間為15小時。其它與【具體實施方式】一至九之一相同。
[0036]采用下述實驗驗證本發(fā)明效果:
[0037]實驗一:
[0038]本實施方式合成GaN = ZnO固溶體光催化劑的方法如下:
[0039]一、稱取Ga203、ZnO和氯化鈉置于瑪瑙研缽中，在室溫下研磨30分鐘，得固體粉末；
[0040]二、將固體粉末裝在瓷舟中，置于管式爐中通入氨氣，在氨氣流速為150mL/min、溫度為850°C的條件下煅燒15小時；
[0041]三、在氨氣氣氛下冷卻至室溫后取出，先用蒸餾水洗滌3次，再用無水乙醇洗滌3次，然后置于暗室中吹干，得到GaN = ZnO固溶體光催化劑；
[0042]步驟一中Ga203、Zn0與氯化鈉的質量比為0.47:0.54:1。
[0043]由圖1看出本實驗制備的GaN: ZnO固溶體光催化劑，峰尖銳且強度高，說明結晶度好。
[0044]由圖2-圖5看出本實驗制備的GaN = ZnO固溶體光催化劑為顆粒。
[0045]圖6、圖7為本實驗所得GaN: ZnO固溶體光催化劑氮吸附脫附等溫線和相應的孔徑分
[0046]布曲線圖，進一步說明所制備的催化劑具有孔狀結構且比表面積大。
[0047]圖8是本實驗所得GaN = ZnO固溶體光催化劑的光催化活性的光譜圖。由圖可以看出，所制備的光催化劑在430nm有吸收，顯示出吸收可見光的能力，在所有的樣品的紫外-可見吸收光譜沒有明顯的差異，這意味著鹽的質量比對所合成的樣品的光學特性的影響不大。樣品的光催化活性通過從水的光催化氧氣生成進行評價。
[0048]本實施方式合成GaN = ZnO固溶體光催化劑的方法如下:
[0049]一、稱取Ga203、ZnO和氯化鈉置于瑪瑙研缽中，在室溫下研磨30分鐘，得固體粉末；
[0050]二、將固體粉末裝在瓷舟中，置于管式爐中通入氨氣，在氨氣流速為150mL/min、溫度為850°C的條件下煅燒15小時；
[0051]三、在氨氣氣氛下冷卻至室溫后取出，先用蒸餾水洗滌3次，再用無水乙醇洗滌3次，然后置于暗室中吹干，得到GaN = ZnO固溶體光催化劑；
[0052]步驟一中Ga203、ZnO與氯化鈉的質量比為0.47:0.54:0.505?2.02。
[0053]圖9給出了在可見光條件下不同NaCl的質量比的樣品的光催化活性(λ >400nm)。其結果表明，該光催化劑活性，可以有效地由NaCl含量影響。而得到的NaCl的質量與Ga2O3和ZnO的 總質量比為1.0的樣品活性最高，氧的生產(chǎn)速率31.2μπι0?Λ。
【權利要求】
1.合成GaN:ZnO固溶體光催化劑的方法，其特征在于合成GaN= ZnO固溶體光催化劑的方法如下: 一、稱取Ga203、ZnO和熔鹽置于瑪瑙研缽中，在室溫下研磨30?60分鐘，得固體粉末； 二、將固體粉末在氨氣流速為100?250mL/min、溫度為800?1000°C的條件下煅燒6?24小時；三、在氨氣氣氛下冷卻至室溫后取出，經(jīng)洗滌干燥后，得到GaN= ZnO固溶體光催化劑； 步驟一中Ga203、ZnO與熔鹽的質量比為0.47:0.54:0.505?2.02。
2.根據(jù)權利要求1所述合成GaN:ZnO固溶體光催化劑的方法，其特征在于步驟一中所述的熔鹽為氯化鈉、氯化鉀、碳酸鈉或碳酸鉀。
3.根據(jù)權利要求1或2所述合成GaN:ZnO固溶體光催化劑的方法，其特征在于步驟一中的研磨時間為40分鐘。
4.根據(jù)權利要求1或2所述合成GaN:ZnO固溶體光催化劑的方法，其特征在于步驟一中Ga203、ZnO與熔鹽的質量比為0.47:0.54:1。
5.根據(jù)權利要求1或2所述合成GaN:ZnO固溶體光催化劑的方法，其特征在于步驟二中氨氣流速為120?220mL/min。
6.根據(jù)權利要求1或2所述合成GaN:ZnO固溶體光催化劑的方法，其特征在于步驟二中氨氣流速為200mL/min。
7.根據(jù)權利要求1或2所述合成GaN:ZnO固溶體光催化劑的方法，其特征在于步驟二中在溫度為820?950°C的條件下煅燒。
8.根據(jù)權利要求1或2所述合成GaN= ZnO固溶體光催化劑的方法，其特征在于步驟二中在溫度為900°C的條件下煅燒。
9.根據(jù)權利要求1或2所述合成GaN:ZnO固溶體光催化劑的方法，其特征在于步驟二中煅燒時間為10?20小時。
10.根據(jù)權利要求1或2所述合成GaN:ZnO固溶體光催化劑的方法，其特征在于步驟二中煅燒時間為15小時。
【文檔編號】B01J35/10GK103878011SQ201410155199
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月17日 優(yōu)先權日:2014年4月17日
【發(fā)明者】陳剛, 何強, 周彥松, 于麒麟, 趙麗宸 申請人:哈爾濱工業(yè)大學