[发明专利]一种硅藻土球负载铌酸盐类可见光光催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅藻土球负载铌酸盐类可见光光催化剂的制备方法，属于光催化技术领域。

背景技术

光催化技术被认为是21世纪最重要的科学技术之一，在污水处理、抗菌杀菌、空气净化等方面显示出了巨大的应用潜力。光催化材料经过多年的研究发展已形成多种类型，在众多的光催化材料中，TiO₂因具有化学、光化学稳定性好，氧化能力强，催化活性高，无毒、耐腐蚀、廉价易得等优点一直处于光催化研究中的核心地位。但是，TiO₂禁带较宽，为3.2eV，只能对380nm以下的紫外光有响应，使其对太阳光的利用受到了很大的限制。而对TiO₂进行的一些改性处理，如金属/非金属离子掺杂、光敏化、半导体复合以及贵金属沉积等仍存在对太阳能利用率低、可见光范围内没有光响应的问题，因此，研究合成出一种新型高效的可见光光催化材料，能在可见光范围内直接被激发产生光生空穴-电子对，是当前光催化材料研究的重点和热点。

在众多新型的可见光光催化材料中，铌酸盐类化合物在电子属性、分子组成、反应活性及稳定性等方面具有独特的晶体结构及物理化学性质，具有组成可控、能带结构适宜、热稳定性好、光催化活性高等优点，在光催化反应体系中表现出较强的促进剂和载体的特性，成为颇受人们关注的一种光催化材料。铌为过渡金属元素，属于VB族，外层电子分布为4d⁴5s¹，+5价为最稳定的价态，在六配位时离子半径为0.069nm，最易形成[NbO₆]八面体。铌氧八面体以共顶、共棱形式相连，可以形成具有多种化学组成和晶体结构的化合物。铌酸盐类化合物一般具有稳定的隧道状或层状结构，晶体中高度扭曲[NbO₆]八面体能够有效地分离电子和空穴，减小其复合几率，因此铌酸盐一般具有较高的光催化活性。

传统的铌酸盐类光催化材料多为纳米级粉体，其粒径小，易团聚，光催化反应后难以回收再利用。为了充分发挥纳米光催化材料的光催化性能，需将其固定在载体上，硅藻土就是一种常用的光催化材料载体。由于天然硅藻土中往往含有不同种类和数量的矿物杂质，因此，需对硅藻土进行预处理。同时，若直接将光催化剂负载在硅藻土粉体上，仍存在难以回收的问题，因此还需将硅藻土制备成球。

制备负载型光催化材料的方法主要有溶胶-凝胶法、液相沉淀法、醇盐水解沉淀法、低温燃烧法等。其中，溶胶-凝胶法在材料粉体的制备中具有产物粒径小、均匀性好、纯度高及反应易控制等优点，有利于光催化性能的提高，且该方法简单易行，因此在合成负载型光催化材料方面具有较好的发展前景。乙醇铌（Nb(OC₂H₅)₅）常作为溶胶-凝胶法制备铌酸盐类光催化材料的铌源，其溶解性良好，但是乙醇铌价格昂贵、储存条件苛刻、极易水解，限制了溶胶-凝胶法制备铌酸盐工艺的推广。

发明内容

针对上述光催化材料存在的缺陷，本发明采用改进的溶胶-凝胶法制备硅藻土球负载铌酸盐类可见光光催化材料，先将Nb₂O₅转化成可溶性的铌盐（Nb(OH)₅），再将碳酸钾与氢氧化铌加入到柠檬酸水溶液中，以柠檬酸为鳌合剂，碳酸钾为钾源，通过溶胶-凝胶法制备铌酸钾溶胶，并将硅藻土球浸渍其中，制备出既具有高催化活性又便于回收使用的负载型可见光光催化材料。

实现本发明的技术方案是按如下工艺步骤进行：

（1）将原硅藻土进行简单的焙烧预处理，采用多功能制丸机在粘结剂的作用下将硅藻土制备成球，并在一定温度下煅烧一段时间制得成品硅藻土球；

（2）将一定质量比的Nb₂O₅与KOH混合均匀后置于坩埚中，在氩气气氛下于电炉中加热到一定温度并保温一段时间，将所得产物溶于去离子水中，得可溶性铌酸钾；

（3）向可溶性铌酸钾中加入硝酸（HNO₃）至pH值为2~3，形成白色絮状的沉淀[Nb·(OH)₅·nH₂O]，过滤烘干后，将该沉淀溶解到草酸中，加热充分搅拌，形成含Nb⁵⁺的草酸溶液，即可溶性铌溶液。用氨水调节可溶性铌溶液的pH值为10～11，得到氢氧化铌沉淀，并将其过滤、烘干；

（4）将符合成分配比的氢氧化铌沉淀与碳酸钾同时加入到柠檬酸水溶液中，加热至一定温度后，搅拌得澄清溶液，持续搅拌直至得到淡黄色透明溶胶；