一种铌酸钾基光催化剂的制备方法及其应用技术

本发明专利技术涉及一种铌酸钾基光催化剂的制备方法及其应用，包括以下步骤：将Nb2O5分散于KOH溶液中得到Nb2O5分散液，经过高压高温反应得到反应液，将该反应液过滤得到上层清液；向所述上层清液中加入尿素溶液，经过高压高温反应得到反应液，将该反应液过滤得到滤饼，将滤饼进行洗涤、干燥得到所述铌酸钾基光催化剂。与现有技术相比，本发明专利技术具有合成方法简单、催化效率高等优点。

Preparation and application of a potassium Niobate-based photocatalyst

【技术实现步骤摘要】
一种铌酸钾基光催化剂的制备方法及其应用
本专利技术涉及能源
，尤其是涉及一种铌酸钾基光催化剂的制备方法及其应用。
技术介绍
将太阳能转化为氢能是解决能源短缺和环境污染问题的一条潜在途径。在各种技术中，光催化制氢是实现这一转变的最有希望的方法之一，其中新颖和高度活性的光催化剂的制备是至关重要的。一种理想的光催化剂应该是高效、稳定和廉价的。由于铌酸钾光催化剂结构稳定、形态可调、光催化活性较好，因此受到越来越多研究者的关注。通过改变表面积和亲水性，发现铌酸钾的结构和形貌能够得到调制从而对其光催化活性有重要影响。因此，可以通过调节铌酸钾光催化剂的结构和形态来调整它们的光催化活性。专利CN201010155915提出了一种制备铌酸钾纳米管催化剂的方法，并可通过在铌酸钾纳米管上负载金属如铂等提高其光催化性能。但是该方法所制备的铌酸钾催化剂中，金属只是被负载在催化剂上，没有掺杂在催化剂中直接影响催化剂的能带结构，同时所采用的金属铂为贵金属，价格较贵。掺杂是降低K4Nb6O17带隙的最常用的方法，因为它可以引起半导体本征的电子和能带结构变化。然而，将金属离子掺杂到K4Nb6O17的晶格中可能会导致热或晶体不稳定，增加电荷载体复合中心，从而降低光催化活性。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种铌酸钾基光催化剂及其应用，显著增强铌酸钾基光催化剂的制氢活性。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种铌酸钾基光催化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)将Nb2O5分散于KOH溶液中得到Nb2O5分散液，经过高压高温反应得到反应液，将该反应液过滤得到上层清液；(2)向所述上层清液中加入尿素溶液，经过高压高温反应得到反应液，将该反应液过滤得到滤饼，将滤饼进行洗涤、干燥得到所述铌酸钾基光催化剂。本专利技术提供了一种自掺杂的铌酸钾基光催化剂，研究发现，自掺杂是一种有效且有前景的方法来拓展半导体光催化剂的吸收。本专利技术的制备方法得到的铌酸钾光催化剂可以单独使用，由于具有多孔的结构和较高的比表面积，因此，本专利技术的催化剂在单独使用时，其催化性能优于现有技术中合成方法得到的铌酸钾。并且，专利技术制备铌酸钾的方法过程简单，仅需将反应原料分散、混合，经过两次高温高压反应就可以得到产品，反应时间较短，整个过程反应时间仅为38小时，而对比文件CN201010155915中，酸化和剥落两步时间共计为7天，说明本专利技术大大缩短了合成催化剂的时间，大大提高了生产效率。所述步骤(1)中，所述KOH溶液的浓度为1～5mol·L-1，优选为2～4mol·L-1。所述步骤(1)中，所述Nb2O5分散液中Nb2O5的浓度为0.005～0.1g·mL-1，优选为0.01～0.05g·mL-1。所述步骤(1)中，高温高压反应的反应温度为160～200℃，优选为170～190℃；160.7～175.6KPa，优选为164.5～171.9KPa；反应时间为8～12小时，优选为9～11小时。步骤(2)中，所述尿素溶液的浓度为0.05～0.2g·mL-1，优选为0.1～0.15g·mL-1；所述尿素溶液的体积与步骤(1)中KOH溶液的体积比为1：1～1：4，优选体积比为1：2～1：3。步骤(2)中，高温高压反应的反应温度为200～240℃，优选为210～230℃；反应压力为175.6～190.5KPa，优选为179.3～186.7KPa；反应时间为18～30小时，优选为20～26小时。步骤(2)中的洗涤方法为采用去离子水和无水乙醇洗涤数次；干燥温度为60℃。原料的配比，浓度，反应时间，反应温度和反应压力；不采用本发提供的工艺参数，将会影响样品的微观尺度和形貌，降低其催化性能。本专利技术进一步提供了一种铌酸钾基光催化剂的制备方法的应用，将铜掺杂到铌酸钾基光催化剂中制备得到铜掺杂的铌酸钾基光催化剂。通过非贵金属铜纳米粒子掺杂铌酸钾以提高其光催化制氢活性。该制备方法包括以下步骤：(1)将所述铌酸钾基光催化剂分散于溶剂水中得到铌酸钾基光催化剂分散液；(2)向所述铌酸钾基光催化剂分散液中加入可溶性铜盐溶液，室温搅拌得到混合溶液；(3)氮气气氛下向所述混合溶液中加入N2H4·H2O，进行还原反应，将反应后的溶液进行过滤、洗涤、干燥得到所述铜掺杂的铌酸钾基光催化剂。本专利技术进一步在铌酸钾基光催化剂上掺杂了Cu，Cu在铌酸钾催化剂上形成了铜纳米颗粒，Cu作为助剂进一步提高了铌酸钾主催化剂的制氢效果。在紫外/紫外-可见光照射下激发K4Nb6O17微米花产生了电子/空穴对，然后将光生电子转移到导带(CB)上，在此过程中，一些电子被Nb5+捕获，在CuNPs存在下迅速转化为Nb4+，使得电子/空穴对的分离更加有效。因此，复合微米花中的CuNPs至关重要，它具有双重作用：(i)是Nb5+向Nb4+转化的催化剂，完成K4Nb6O17的自掺杂；(ii)作为光催化制氢的助催化剂和活性中心。在此之后，光生电子转移到活性中心，H2O被还原产生H2。牺牲剂(甲醇)消耗了K4Nb6O17微米花VB上积累的空穴。因此，得益于CuNPs对K4Nb6O17微观结构的调控以及CuNPs与K4Nb6O17微米花之间强的界面接触，使得光生电子倾向于从K4Nb6O17光催化剂迁移到CuNPs为吸附溶液中的质子提供了活性位点微米花；即CuNPs与K4Nb6O17微米花之间有效的电子转移，显著延长了光激发载流子的寿命，从而提高了光催化制氢活性。通过表征，我们发现Cu以零价态纳米颗粒形式存在，通过在第(3)步中，在氮气氛围下还原，能够很好地使Cu2+还原成零价态的Cu纳米颗粒。Cu纳米颗粒的双重作用使得催化剂的催化性能，避免加入贵金属铂，大大降低了催化剂的成本。所述铜掺杂的铌酸钾基光催化剂中Cu的质量分数为0.2％～3％，优选为0.4％；所述可溶性铜盐溶液选自醋酸铜溶液，CuCl2溶液，Cu(NO3)2溶液或CuSO4溶液中的一种或几种；只要是在水溶液中可以很好的溶解电离出铜离子的铜盐均可使用。步骤(1)中，所述铌酸钾基光催化剂分散液的浓度为0.2～2mg·mL-1，优选1～1.5mg·mL-1；步骤(2)中可溶性铜盐溶液的浓度为0.005～0.075mol·L-1；步骤(3)中，所述N2H4·H2O与所述可溶性铜盐的质量比为0.24～0.5。所述还原反应的温度为40～98℃，优选为90℃，反应时间为2～8小时，优选为5小时。步骤(3)中的洗涤方法为采用去离子水和无水乙醇洗涤数次；干燥温度为60℃。原料的配比，浓度，反应时间，反应温度和反应压力；不采用本发提供的工艺参数，将会影响样品的微观尺度和形貌，得不到合适分散效果的铜纳米颗粒，降低其催化性能。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术的制备方法得到了一种显著增强制氢活性的新型、高效的铌酸钾基光催化剂；(2)本专利技术将非贵金属Cu掺杂进铌酸钾基光催化剂中，进一步提高了其光催化性能，并且相比于贵金属掺杂，本专利技术的原料价格低廉、来源广泛，大大降低了生产成本；(3)本专利技术的制备工艺路径简单、容易操作、反应原料易得，容易扩大生产。(4)避免加入贵金属如铂等助催化剂，大大降低原料成本。(5)小尺寸、单分散铜粒子在铌酸钾微米花瓣上的负载，既避免Cu的脱落，又本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铌酸钾基光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将Nb2O5分散于KOH溶液中得到Nb2O5分散液，经过高压高温反应得到反应液，将该反应液过滤得到上层清液；(2)向所述上层清液中加入尿素溶液，经过高压高温反应得到反应液，将该反应液过滤得到滤饼，将滤饼进行洗涤、干燥得到所述铌酸钾基光催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种铌酸钾基光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将Nb2O5分散于KOH溶液中得到Nb2O5分散液，经过高压高温反应得到反应液，将该反应液过滤得到上层清液；(2)向所述上层清液中加入尿素溶液，经过高压高温反应得到反应液，将该反应液过滤得到滤饼，将滤饼进行洗涤、干燥得到所述铌酸钾基光催化剂。2.根据权利要求1所述的一种铌酸钾基光催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述KOH溶液的浓度为1～5mol·L-1，优选为2～4mol·L-1。3.根据权利要求1所述的一种铌酸钾基光催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述Nb2O5分散液中Nb2O5的浓度为0.005～0.1g·mL-1，优选为0.01～0.05g·mL-1。4.根据权利要求1所述的一种铌酸钾基光催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，高温高压反应的反应温度为160～200℃，优选为170～190℃；反应压力为160.7～175.6KPa，优选为164.5～171.9KPa；反应时间为8～12小时，优选为9～11小时。5.根据权利要求1所述的一种铌酸钾基光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述尿素溶液的浓度为0.05～0.2g·mL-1，优选为0.1～0.15g·mL-1；所述尿素溶液的体积与步骤(1)中KOH溶液的体积比为1：1～1：4，优选体积比为1：2～1：3。6.根据权利要求1所述的一种铌酸钾基光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，高温高压反应的反应温度为200～240℃，优选...

【专利技术属性】
技术研发人员：李向清，朱坤，郜思衡，康诗钊，秦利霞，
申请(专利权)人：上海应用技术大学，
类型：发明
国别省市：上海,31