一种硫化铋复合钽铌酸钾催化剂及该催化剂的制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种硫化铋复合钽铌酸钾催化剂及该催化剂的制备方法与应用，所述催化剂的通式为x％Bi2S3/KTa

【技术实现步骤摘要】
一种硫化铋复合钽铌酸钾催化剂及该催化剂的制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及光、机械震动联合催化剂材料领域，具体涉及一种硫化铋复合钽铌酸钾催化剂及该催化剂的制备方法与应用。

技术介绍

[0002]作为一种理想的绿色燃料，H2被认为是未来化石能源的替代品。然而，高昂的生产成本和储运的困难极大地限制了其应用前景。氨由一个氮原子和三个氢原子组成，易于分解为氮气和氢气，并具有易液化的特性，因此被认为是比H2更好的氢能载体。然而，与氢气一样，氨也面临着高生产成本的问题。目前，工艺是工业上使用最广泛的合成氨工艺，但其高温，高压反应条件以及生产过程中产生的大量温室气体显然与可持续发展的要求不符。因此，寻求一种绿色、节能、高效的合成氨方法值得研究。
[0003]1977年首次报道了使用光能和半导体催化剂进行固氮，这与生物固氮相似，具有反应条件温和，能耗低和零碳排放的优点。得益于这些优势，已生产出一系列半导体材料，例如g-C3N4(J.Mater.Chem.A 2015,3：23435-23441)，ZnO(J.Phys.Chem.C 2010,114：2622-2632)，和KNbO3(ACS Sustain.Chem.Eng.2019,7：12408-12418)，并在光催化固氮领域进行了广泛研究。最近，专利技术人团队合成了一种高效的催化剂KTa
0.75
Nb
0.25
O3(KTN)固溶体，用于光催化氢气的释放(Fuel 2019，241：1-11)。与KNbO3相比，合成的KTN固溶体的导带更宽，位置更负，表明KTN中的光生电子具有更强的还原性和更好的迁移率。以上两个优点使KTN固溶体具有更高光催化制H2性能。同时，这表明KTN可能是光催化固氮的潜在有效催化剂，基于KTN的复合材料的设计和制备是实现高效光催化固氮的可行方法。Bi2S3是具有窄带隙和良好的可见光响应的层状金属硫化物。它作为助催化剂的装饰可以提高电子-空穴分离效率和/或增加光响应范围，这已在许多复合光催化剂中得到验证。Bi2S3对KTN呈现合适的能带势，表明它也是KTN的适合的助催化剂。就我们所知，还没有关于Bi2S3/KTN的光催化N2固定研究的报道。
[0004]除了作为有效的光催化剂外，KTN还以其卓越的压电性能而闻名，这表明KTN可以将机械能转化为电化学能(Ferroelectrics，1981，38：825
–
828)。1998年，Domen首次应用振动能量来催化水分解为H2和O2。从那时起，由机械能引发的催化过程吸引了科学家的注意，因为它可以在黑暗中进行，并且是光催化过程的重要补充。如吴等报道的BaTiO3(Nano Energy 2018，45：44
–
51)，徐等报道的ZnO纳米纤维(Chemosphere 2018，193：1143-1148)和尤等报道的BiFeO3纳米片(Angew.Chem.Int.Ed.2019，58：11779-11784)，均表现出了良好的压电催化降解染料性能。与上述压电催化剂一样，KTN固溶体也被认为是一种优异的压电材料，表明其在压电催化方面也具有巨大的潜力。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了解决上述问题，提供了一种硫化铋复合钽铌酸钾催化剂及该催化剂的
制备方法与应用，利用简单的水热法制备KTa
0.75
Nb
0.25
O3，并通过二次水热将Bi2S3负载到KTa
0.75
Nb
0.25
O3上形成以提高其光催化和压电催化性能，最终获得了一种具有优异压电催化和光催化固氮性能的Bi2S3/KTN复合催化剂。
[0006]本专利技术目的之一在于提供一种硫化铋复合钽铌酸钾催化剂，具体技术方案如下：
[0007]一种硫化铋复合钽铌酸钾催化剂，所述催化剂主要由硫化铋和钽铌酸钾制成，通式为x％Bi2S3/KTa
0.75
Nb
0.25
O3，其中，x为催化剂中Bi2S3与KTa
0.75
Nb
0.25
O3的摩尔比，0.1≤x≤5。
[0008]进一步的，所述钽铌酸钾为KTa
0.75
Nb
0.25
O3固溶体。
[0009]进一步的，所述硫化铋与钽铌酸钾的摩尔比为0.25％。
[0010]本专利技术目的之二在于提供一种硫化铋复合钽铌酸钾催化剂的应用，具体技术方案如下：
[0011]上述技术方案种所述的硫化铋复合钽铌酸钾在制备复合催化剂中的应用，所述复合催化剂可进行光催化和压电催化。
[0012]本专利技术目的之三在于提供一种硫化铋复合钽铌酸钾的制备方法，具体技术方案如下：
[0013]一种制备硫化铋复合钽铌酸钾催化剂的方法，包括如下步骤，
[0014]1)将Ta2O5和Nb2O5加入KOH水溶液搅拌，得到混合溶液；
[0015]2)将步骤1)所述混合溶液进行水热反应、冷却、洗涤和烘干后得到钽铌酸钾固溶体；
[0016]3)将步骤2)所述钽铌酸钾固溶体进行分散，得到悬浊液；
[0017]4)将硝酸铋和硫化钠加入到步骤3)所述悬浊液进行搅拌、水热处理、沉淀、洗涤和干燥得到硫化铋复合钽铌酸钾。
[0018]进一步的，步骤(1)中所述Ta2O5和Nb2O5的摩尔比为3：1。
[0019]进一步的，所述水热反应的温度160-260℃，反应时间为12-48h；所述烘干的温度为60℃。
[0020]进一步的，所述硝酸铋和硫化钠的摩尔比为1：4。
[0021]进一步的，所述水热处理的温度为140℃，所述干燥的温度为60℃。
[0022]本专利技术目的之四在于提供由上述技术方案制备出来的硫化铋复合钽铌酸钾的应用，具体技术方案为：
[0023]上述技术方案三所述的方法制备的硫化铋复合钽铌酸钾在催化固氮合成氨中的应用。
[0024]本专利技术的有益之处在于：
[0025]1、本专利技术制备的Bi2S3/KTN(硫化铋复合钽铌酸钾)复合催化剂的制备过程利用的是简单的水热法，操作简单。
[0026]2、本专利技术制备的Bi2S3/KTN同时具有光催化和压电催化性能，具较好的实际应用前景。
[0027]3、优化的Bi2S3/KTN催化剂光催化和压电催化产氨速率分别为561.6μmol
·
L-1
·
g
cat-1
和14.9μmol
·
L-1
·
g
cat-1
，分别是纯相KTa
0.75
Nb
0.25
O3光催化和压电催化产氨速率的4.7倍和4倍，具有特别优异的光催化和压电催化产氨性能。综合以上两点，水热法制备的Bi2S3/
KTN复合催化剂具有较好的实际应用前景。
[0028]本专利技术首次将KTN应用于光催化固氮本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硫化铋复合钽铌酸钾催化剂，其特征在于，所述催化剂主要由硫化铋和钽铌酸钾制成，通式为x％Bi2S3/KTa
0.75
Nb
0.25
O3，其中，x为催化剂中Bi2S3与KTa
0.75
Nb
0.25
O3的摩尔比，0.1≤x≤5。2.根据权利要求1所述的一种硫化铋复合钽铌酸钾催化剂，其特征在于，所述钽铌酸钾为KTa
0.75
Nb
0.25
O3固溶体。3.根据权利要求1所述的一种硫化铋复合钽铌酸钾催化剂，其特征在于，所述硫化铋与钽铌酸钾的摩尔比为0.25％。4.权利要求1所述的一种硫化铋复合钽铌酸钾催化剂的应用，其特征在于，所述催化剂用于进行光催化和/或进行压电催化。5.一种硫化铋复合钽铌酸钾催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将Ta2O5和Nb2O5加入KOH水溶液搅拌，得到混合...

【专利技术属性】
技术研发人员：何益明，王军峰，李晓静，戴孝全，陈璐，
申请(专利权)人：浙江师范大学，
类型：发明
国别省市：