[发明专利]一种核壳结构光催化材料及其制备方法

说明书

技术领域

 本发明属于光学材料技术领域，具体为一种核壳结构光催化材料及其制备方法。

背景技术

环境保护和新能源的开发，是目前全世界共同关注的两个重要议题。纳米二氧化钛材料由于其优异的光催化性能、稳定的化学性质和生物无毒性等特点，在环境保护和新能源开发两个领域中有广阔的应用前景。一方面，利用纳米二氧化钛材料的亲水性和对紫外光的强吸收性，可制成光催化剂降解有机污染物、净化空气、杀菌消毒；另一方面，二氧化钛可光催化分解水，产生氢气和氧气，为氢能源的开发和利用提供条件。

但根据半导体材料的光吸收阈值可知，纳米二氧化钛材料只能吸收波长在紫外光范围的太阳光能，而这部分紫外光能仅占到达地球表面太阳光能的4-6%，导致其对太阳能的利用率低，应用范围受到限制。并且，在紫外光激发下激发到导带的电子和在价带留下的空穴在材料内容易复合，复合掉的电子和空穴将不发挥光催化功能，使得纳米二氧化钛材料的光催化效率大大降低。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种核壳结构光催化材料及其制备方法，通过高温固相熔融法获得掺稀土纳米晶前躯体，通过酸腐蚀法去除纳米晶周围的氧化物基质，获得掺稀土纳米晶颗粒溶液，通过二氧化钛包覆的方法获得核壳结构的新型光催化材料；该新型核壳结构光催化材料能够通过作为核材料的掺稀土纳米晶颗粒的上转换作用，将长波段的太阳光转换为短波段荧光使二氧化钛能够吸收，增加二氧化钛壳材料的光催化效能；该核壳结构还能使得二氧化钛的电子空穴对的内部复合几率降低，增加光催化效率。

本发明的技术方案：

一种核壳结构光催化材料，核材料为具有上转换功能的掺稀土氟化物纳米微晶颗粒，壳层材料为纳米量级的二氧化钛。

一种所述核壳结构光催化材料的制备方法，步骤如下：

1）通过高温固相熔融法制备掺稀土纳米晶前躯体xSiO₂-yAl₂O₃-zPbF₂-(50-z)CdF₂:aRe，

将SiO₂、Al₂O₃、PbF₂、CdF₂和稀土离子氧化物按照化学计量比混合均匀，充分研磨至微米量级后在800-1200℃温度条件下灼烧2小时，然后将熔融的玻璃液迅速倾倒在铁盘上快速冷却，制得掺稀土纳米晶前躯体xSiO₂-yAl₂O₃-zPbF₂-(50-z)CdF₂:aRe，式中：x、y、z为化学表达式中各组分的摩尔比，x、y、z的取值范围为：15≤x≤50、0≤y≤50、0＜z≤50，Re为稀土离子a为所述稀土离子的掺入摩尔百分比，a的取值范围为0＜a≤5；

2）通过热诱导法在上述前躯体中构造zPbF₂-(50-z)CdF₂:aRe纳米微晶

将上述掺稀土纳米晶前躯体在核化温度320-540℃下热诱导1-12小时，然后冷却至室温，得到zPbF₂-(50-z)CdF₂:aRe纳米微晶，式中：0＜z≤50，Re为稀土离子a为所述稀土离子的掺入摩尔百分比，a的取值范围为0＜a≤5；

3）通过酸腐蚀法去除氧化物基质制得掺稀土纳米微晶溶胶

将上述zPbF₂-(50-z)CdF₂:aRe纳米微晶充分研磨至微米量级后加入浓度为1-10mol/L的氢氟酸腐蚀12-24小时，以去除纳米微晶周围的氧化物基质，然后滴加碱液调节混合液pH值为6-7，再加入表面活性剂十二烷基苯磺酸钠进行分散，制得掺稀土纳米微晶溶胶；

4）采用微乳液法或钛盐水解法制得核壳结构光催化材料。

所述稀土离子为镧（La）、镨（Pr）、钕（Nd）、铕（Eu）、铽（Tb）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）和镱（Yb）的氧化物中的一种或两种以上任意比例的混合物。

所述zPbF₂-(50-z)CdF₂:aRe纳米微晶与氢氟酸的用量比为0.1g:10mL。

所述碱液为浓度0.1-1mol/L的NaOH水溶液或浓度为0.5mol/L的氨水溶液。