[发明专利]一种镱铒掺杂的钛白粉/凹凸棒石纳米复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种镱铒掺杂的钛白粉/凹凸棒石纳米复合材料的制备方法及其应用，将Yb(NO₃)₃·5H₂O、Er(NO₃)₃·6H₂O加入到钛白粉悬浮液中搅拌充分，再加入凹凸棒石，然后转移到聚四氟乙烯高压釜中恒温反应，反应结束后洗涤烘干得到白色前驱物，最后在马弗炉中煅烧，研磨，得到镱铒掺杂的钛白粉/凹凸棒石纳米复合材料，应用于光催化合成氨。本发明通过镱铒元素掺杂可使钛白粉/凹凸棒石材料发生上转换，从而提高了材料对太阳光的利用率。并且制备方法简单，采用工业级钛白粉作为钛源，成本低廉，不需要复杂昂贵的设备、合成条件温和，有利于大规模推广。

技术领域

本发明属于新型材料制备和光催化固氮的技术领域，具体涉及镱(Yb)、铒(Er)元素掺杂钛白粉/凹凸棒石复合材料的制备和应用。

技术背景

氨是重要的基础化工产品之一,其产量在化工产品中位居前列，但同时氨的合成也会消耗大量的能源。虽然针对传统合成氨装置开发出了许多增产与节能技术，但由于传统合成氨方法的局限性，反应过程中仍需消耗大量的化石燃料，会对大气环境造成一定的污染。因此，找到一种能在低温条件下反应的工艺或者催化剂，对于合成氨反应具有非常重要的意义。

近年来，利用太阳能实现光固氮合成氨受到了广泛的关注。TiO₂是一种常见的光催化剂，由于其催化活性高、化学性能稳定且低毒低耗而被广泛使用。有报道TiO₂基光催化材料具备一定的固氮效果，但是由于其带隙较宽，只能对紫外光进行响应，太阳光利用率小于10％，因此如何拓展TiO₂的光响应范围成为提高其光催化效率的关键。

稀土元素由于其独特的上转换发光效应得到了广泛的关注，上转换发光可将低能量的光转化为高能量的光，本发明将稀土元素如镱、铒等掺杂进TiO₂可以有效地实现上转换发光过程，可将其光响应范围拓展至近红外光区，从而提高其光催化效率。此外，由于颗粒TiO₂纳米化后团聚明显，而天然一维纳米粘土矿物凹凸棒石(ATP)由于具有价廉，多孔，稳定性好等众多优点，可以对纳米TiO₂颗粒实现良好固载从而降低颗粒团聚现象。本发明所涉及的镱铒掺杂的钛白粉/凹凸棒石纳米复合材料将会拥有相当广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原料易得，成本低廉，太阳能利用率高的光固氮催化剂材料的制备和应用。其制备方法简单，不需要复杂昂贵的设备、合成条件温和，有利于大规模推广。

本发明提供的镱铒掺杂钛白粉/凹凸棒石上转换复合光催化材料，其组成通式为：TiYb_0.2Er_XO₂/ATP，其中，Yb/Ti＝0.2，Er/Ti＝x，x的范围为0.01～0.04，TiYb_0.2Er_XO₂占ATP质量的20％，此外，未掺杂镱铒的样品表示为TiO₂/ATP。

本发明限定Yb/Ti＝0.2，即Yb在TiO₂中的掺杂量为20％(摩尔)，这是优选结果，Yb作为敏化剂，当Yb的掺杂量为20％时，其上转换发光强度最高，如果低于或高于这个值其发光强度都会有所降低，其次Er作为激活剂，由于其具有多种激发态，容易发生浓度猝灭等现象从而影响其上转换发光的强度，所以Er的掺杂量不能太高，作为优选，限定其比例定在0.01-0.04。

本发明还提供了一种微波水热的合成方法，具体步骤如下：