一種鐵摻雜的二氧化鈰光催化劑及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鐵摻雜二氧化鈰光催化劑及其制備方法，該材料在光催化領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。本發(fā)明屬于納米科技領(lǐng)域。
技術(shù)背景
[0002]CeO2屬于螢石型氧化物，螢石型氧化物因CaF2而得名。由于Ce具有獨(dú)特的f電子構(gòu)型，其化合物具有特殊的光、電、磁性質(zhì)，被譽(yù)為新材料的寶庫(kù)。CeO2是一種廉價(jià)而用途極廣的材料，廣泛用于發(fā)光材料、催化劑、拋光粉、電子陶瓷、紫外吸收材料等。CeO2作為N型半導(dǎo)體，其光吸收閾值約為420nm，高于目前最常用的半導(dǎo)體材料1102的387nm?？梢?jiàn)，CeO2具有很好的光吸收能力。
[0003]納米CeO2的光催化機(jī)理是利用CeO 2在小于420nm的波長(zhǎng)照射下，價(jià)帶電子被激發(fā)躍迀到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生具有很強(qiáng)反應(yīng)活性的電子-空穴對(duì)，這些電子一空穴對(duì)迀移到CeO2表面后，在氧化劑或還原劑作用下，可以參與氧化還原反應(yīng)，從而起降解污染物、凈化環(huán)境的作用。從納米&02的光催化機(jī)理可以得知，光催化反應(yīng)的進(jìn)行首先要激發(fā)源的能量等于或大于半導(dǎo)體禁帶寬度的能量值。這樣才能激發(fā)價(jià)帶上的電子到導(dǎo)帶，在價(jià)帶上產(chǎn)生相應(yīng)的空穴。太陽(yáng)光是一種取之不盡，用之不竭的清潔能源。為了充分利用太陽(yáng)能，各國(guó)學(xué)者都在做擴(kuò)大&02吸收波長(zhǎng)范圍的研宄，于是納米CeO 2各種改性方法也應(yīng)運(yùn)而生。
[0004]摻雜金屬離子，會(huì)引起晶格的畸變，形成缺陷位，并對(duì)光催化材料的相轉(zhuǎn)變溫度、晶粒大小等產(chǎn)生影響，并且金屬離子作為電子的有效接受體，可捕獲導(dǎo)帶中的電子.由于金屬離子對(duì)電子的爭(zhēng)奪，減少CeO2表面光致電子與光致空穴的復(fù)合，從而使CeO 2產(chǎn)生更多的H0.和.02_。提高催化劑的活性。因?yàn)榻饘匐x子既可能成為電子或空穴的陷阱而延長(zhǎng)其壽命，也可能成為復(fù)合中心反而加快復(fù)合過(guò)程，所以摻雜劑濃度對(duì)反應(yīng)活性也有很大的影響，存在一個(gè)最佳濃度值。摻雜濃度過(guò)低，空間電荷層的電勢(shì)降太小不足以有效分離光生電子和空穴對(duì)；摻雜濃度過(guò)高，導(dǎo)致陷阱之間的平均距離降低，電子和空穴復(fù)合率變大，離子摻雜效果變差。已有文獻(xiàn)報(bào)道的金屬離子摻雜研宄主要涉及的是過(guò)渡金屬離子摻雜以及稀有金屬尚子慘雜。
[0005]以CeO2為基體的光催化劑，國(guó)內(nèi)外的研宄也較廣泛。納米Cu0/Ce02復(fù)合物合成方法有螯合法、溶膠法、共沉淀法。Zhigang Liu等在納米顆粒氧化鐘的制備研宄[J].礦冶，2003，12: 51-54中報(bào)道通過(guò)螯合法制備出催化劑CuO-CeO2。Mengfei Luo等人在W/0微乳液中&02超細(xì)粒子的制備[J].化學(xué)通報(bào)，1998，12: 51中報(bào)道采用溶膠法合成了高比表面的 CuO-CeOj^S化劑。D.H Kim 等人在 Journal of Natural.Gas Chemistry, 2007,16: 167 - 172中報(bào)道采用共沉淀法合成制備出納米Cu0-Ce02。
[0006]文獻(xiàn)中報(bào)道的制備納米&02_1102的方法有:溶膠-凝膠法，模板合成法，浸漬法等。P.X.Huang 等人在 J.Phys.Chem.B, 2005，109: 19169-19174 中報(bào)道使用 NaBH4還原HAuCl4將納米Au粒子負(fù)載在濕法制備的納米CeO 2棒上，并研宄了產(chǎn)物的光催化性。
[0007]Francisca Romero-Sarria 等人在 J.Phys.Chem.C，2007, 111 (39):14469-14475中報(bào)道通過(guò)在CeOj^溶膠中加入金鹽制備Au/CeO 2。
[0008]綜上所述，目前的氧化鈰基催化劑成本高、制備工藝復(fù)雜、在可見(jiàn)光區(qū)域內(nèi)的催化效率低，本發(fā)明正是為了解決該問(wèn)題而提出的。
[0009]目前尚無(wú)以碳酸鈉作為沉淀劑，采用共沉淀法制備鐵摻雜二氧化鈰光催化劑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的是為了解決成本高、制備工藝復(fù)雜、在可見(jiàn)光區(qū)域催化效率低等技術(shù)問(wèn)題而提供一種鐵摻雜二氧化鈰光催化劑，該鐵摻雜二氧化鈰光催化劑具成本低、制備方法簡(jiǎn)單、禁帶寬度窄、在可見(jiàn)光下反應(yīng)效率高特點(diǎn)，即與要解決的技術(shù)問(wèn)題對(duì)應(yīng)，如現(xiàn)有技術(shù)中所存在的技術(shù)問(wèn)題是催化劑的催化效率低，價(jià)格昂貴，那么本發(fā)明的催化劑則具有催化效率高，價(jià)格低廉等特點(diǎn)。
[0011]本發(fā)明的目的之二是為了提供上述的一種鐵摻雜二氧化鈰光催化劑的制備方法。
[0012]本發(fā)明的技術(shù)方案
一種鐵摻雜二氧化鈰光催化劑，其分子式為FexCei_x02_a5x，其中X為0.05-0.2。
[0013]上述的一種鐵摻雜二氧化鈰光催化劑的制備方法，即采用以硝酸鈰、硝酸鐵、碳酸鈉為起始原料，采用共沉淀法制備得到片狀FexCei_x02_a5x，通過(guò)改變x值，可獲得不同組成的FexCei_x02_a5x，即室溫下，將硝酸鈰、硝酸鐵溶于去離子水中，超聲攪拌一段時(shí)間，然后用去離子水再配置Na2CO3溶液，用共沉淀法，通過(guò)反向滴定、控制反應(yīng)溫度與反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行共沉淀反應(yīng)，完全反應(yīng)后，冷卻至室溫，離心分離，用去離子水洗滌至濾液呈中性，烘干、煅燒得 FexCe1-XO2-0.5x；
其制備過(guò)程具體包括如下步驟:
(1)、在室溫下，用去離子水配制濃度為0.lmol/L的硝酸鐘水溶液、濃度為0.lmol/L的硝酸鐵水溶液和濃度為0.5mol/L的碳酸鈉水溶液；
(2)、將步驟(I)所得的濃度為0.lmol/L的硝酸鐘水溶液和濃度為0.lmol/L的硝酸鐵水溶液超聲混合，得到硝酸鐵和硝酸鈰混合水溶液，所得的硝酸鐵和硝酸鈰混合水溶液中，按摩爾比計(jì)算，即Ce:Fe為0.8-0.95:0.05-0.2 ；
(3)、以2.5ml/min的速率將步驟(3)所得的硝酸鐵和硝酸鈰混合水溶液滴加到溫度為70°C的濃度為0.5mol/L的碳酸鈉水溶液中，滴加過(guò)程中控制溫度為70°C，攪拌轉(zhuǎn)速為600rpm，滴加完后，繼續(xù)控制溫度為70°C，攪拌轉(zhuǎn)速為600rpm進(jìn)行反應(yīng)30min，所得的反應(yīng)液自然冷卻至室溫；
硝酸鐵和硝酸鈰混合水溶液和碳酸鈉水溶液的用量按摩爾比計(jì)算，即(Ce3++Fe3+):碳酸鈉為1:3 ；
(4 )、將步驟(3 )冷卻至室溫的反應(yīng)液控制轉(zhuǎn)速為8000-10000rpm進(jìn)行離心分離5-15min，所得的沉淀用去離子水洗滌直至流出液的pH呈中性，然后再將所得的沉淀控制溫度為70-80°C干燥10-20h，然后將所得的干燥產(chǎn)物控制溫度為400-500°C煅燒4_5h，即得鐵摻雜二氧化鈰光催化劑。
[0014]本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明的一種鐵摻雜二氧化鈰光催化劑，晶相純，顆粒大小均勻，分散性良好，不易團(tuán)聚，由于有鐵的摻雜，二氧化鈰光催化劑對(duì)紫外可見(jiàn)光的吸收發(fā)生了改變，由此表明了，鐵摻雜后對(duì)二氧化鈰的禁帶寬度發(fā)生了改變，即二氧化鈰的禁帶寬度被縮小了，因此其光催化活性得到了改變一光降解能力得以提高。有文章報(bào)道&02的光降解羅丹明B的催化活性120min可以降解40%，而本發(fā)明的鐵摻雜二氧化鈰光催化劑，在120min時(shí)降解率可以達(dá)到57%。催化效果明顯的提高了。
[0015]進(jìn)一步，本發(fā)明的一種鐵摻雜二氧化鈰光催化劑的制備方法，由于采取的共沉淀法，因此其制備工藝簡(jiǎn)單，所需生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1、實(shí)施例1所得的CeO2*催化劑的SEM圖；
圖2、實(shí)施例2所得的鐵摻雜的CeO2光催化劑的SEM圖，其中鐵的摻雜量為0.05 ；
圖3、實(shí)施例3所得的鐵摻雜的CeO2光催化劑的SEM圖，其中鐵的摻雜量為0.1 ；
圖4、實(shí)施例4所得的鐵摻雜的CeO2光催化劑的SEM圖，其中鐵的摻雜量為0.15 ；
圖5、實(shí)施例5所得的鐵摻雜的CeO2光催化劑的SEM圖，其中鐵的摻雜量為0.2 ；
圖6、實(shí)施例1所得的&02光催化劑、實(shí)施例2-5所得的鐵摻雜的CeO 2光催化劑FexCehCVa5^ XRD 圖;
圖7、實(shí)施例1所得的&02光催化劑、實(shí)施例2-5所得的鐵摻雜的CeO 2光催化劑FexCe1^0.5x^ UV-Vis 圖;
圖8、鐵摻雜二氧化鈰光催化劑中的CeO2的直接帶隙算法圖；
圖9、鐵摻雜二氧化鈰光催化劑中的CeO2的間接帶隙算法圖；
圖10、鐵摻雜二氧化鈰光催化劑中的Featl5Cea95Oh 975的直接帶隙算法圖；
圖11、鐵摻雜二氧化鈰光催化劑中的Featl5Cea95Oh 975的間接帶隙算法圖；
圖12、鐵摻雜二氧化鈰光催化劑中的FeaiCea9Ou5的直接帶隙算法圖；
圖13、鐵摻雜二氧化鈰光催化劑中的FeaiCea9Ou5的間接帶隙算法圖；
圖14、鐵摻雜二氧化鈰光催化劑中的Fetl.Jea85Oh 925的直接帶隙算法圖；
圖15、鐵摻雜二氧化鈰光催化劑中的Fetl.Jea85Oh 925的間接帶隙算法圖；
圖16、鐵摻雜二氧化鈰光催化劑中的Fea2Cea8Ou的直接帶隙算法圖；
圖17、鐵摻雜二氧化鈰光催化劑中的Fea2Cea8Ou的間接帶隙算法圖；
圖18、實(shí)施例1所得的沒(méi)有鐵摻雜的二氧化鈰光催化劑、實(shí)施例2-5所得的鐵摻雜的二氧化鈰光催化劑的光降解羅丹明B的催化效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面通過(guò)具體實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步闡述，但并不限制本發(fā)明。
[0018]本發(fā)明的X射線衍射測(cè)定所用的儀器為Rigaku D/max 2550V X射線衍射