一种强磁性铈、钾-铁酸铋固溶体压电制氢催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术属于无机化学、能源技术和催化领域，具体涉及到了一种强磁性铈、钾

【技术实现步骤摘要】
一种强磁性铈、钾
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铁酸铋固溶体压电制氢催化剂及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于无机化学、能源技术和催化领域，具体涉及到了一种强磁性铈、钾
‑
铁酸铋固溶体压电制氢催化剂及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]目前，随着化石能源的不断消耗，人们对清洁能源的需求不断增加。氢能被誉为21世纪最具前途的清洁能源，氢能有效利用能够有效的减缓环境污染和能源消耗问题。通常，氢气可以直接通过太阳光分解水制备，但是在黑暗下不响应以及对太阳光利用率低等问题成为光催化制氢技术发展的限制条件。另外，电解水技术也是近年来制氢的一大热点话题，然而，电能的大量消耗也成为了该技术一个明显的缺陷。因此，专利技术一种简单高效的制氢技术迫在眉睫。
[0003]近年来，多铁材料因为同时具有多种特性而受到广泛关注。作为一种同时具有铁电和铁磁性的经典多铁材料，BiFeO3在应力作用下，材料的局部偶极矩发生极化，材料内部产生电势差，形成一个极化电场，从而将机械能转化为电能，即为压电效应。此压电电场能够促进材料上的自由电子的迁移，造成电子空穴的分离，这些分离的电荷能够快速高效地分解水，在产氢领域有巨大的潜能。通常，BiFeO3的压电性主要来自于A位铋离子6s孤对电子与氧原子2p轨道间杂化而形成沿着(111)方向的铁电极化，但是由于高温烧结的过程中铋元素会部分挥发，造成杂相和漏电流的出现，影响压电性能；等价元素的A位取代能够有效地提高材料结晶度、降低漏电流，从而提升压电特性。同时，BiFeO3磁性来自于B位铁离子自旋排列而产生的剩余磁矩，但是这个自旋存在小角度倾斜且形成一个长达62nm的周期性螺旋结构，此结构使得材料的宏观净磁矩被抵消，虽然B位元素取代在一定程度上能够抑制周期性螺旋结构，但无法提高结晶度，甚至会带来杂相。因此，在提高材料晶相的基础上，同时增强压电性能和磁性响应，便是当前需要解决的关键问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的首要目的在于提供一种强磁性铈、钾
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铁酸铋固溶体压电制氢催化剂的制备方法。该方法简单易行，所得制氢催化剂具有很强的磁性，易于回收，为工业化应用提供了有力的依据。
[0005]本专利技术另一目的在于提供上述方法制备得到的强磁性铈、钾
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铁酸铋固溶体压电制氢催化剂。改压电制氢催化剂以超声作为压电驱动力，在经过80min的超声后，氢气产生量可达515μmol/g，远高于未掺杂的钛酸铋274μmol/g。
[0006]本专利技术再一目的在于提供上述强磁性铈、钾
‑
铁酸铋固溶体压电制氢催化剂在制氢领域中的应用。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种强磁性铈、钾
‑
铁酸铋固溶体压电制氢催化剂的制备方法，具体包括以下步
骤：
[0009]步骤1：称取Fe(NO3)3·
9H2O，Bi(NO3)2·
5H2O，KNO3和Ce(NO3)3·
6H2O，与乙二醇混合得到混合溶液；
[0010]步骤2：随后在步骤1所得混合溶液中加入酒石酸，在加热状态下持续搅拌，直到酒石酸彻底溶解形成凝胶，随后将凝胶干燥后得到CKBF前驱体；
[0011]步骤3：将得到的CKBF前驱体煅烧，即获得CKBF压电制氢催化剂；
[0012]步骤1所述Fe(NO3)3·
9H2O，Bi(NO3)2·
5H2O，KNO3和Ce(NO3)3·
6H2O的用量满足，Ce，K，Bi三者的物质的量之和与Fe的物质的量之比为1：1；其中Bi(NO3)2·
5H2O，KNO3和Ce(NO3)3·
6H2O的混合物中Bi、K和Ce三种元素所占的摩尔比分别为70～100％、0～15％和0～15％，优选的，Bi(NO3)2·
5H2O，KNO3和Ce(NO3)3·
6H2O的混合物中Bi、K和Ce三种元素所占的摩尔比分别为90～60％、5～20％和5～20％；更优选为85～75％、5～15％和5～15％，最优选为80％、10％和10％。
[0013]步骤1中所述Fe(NO3)3·
9H2O与乙二醇的摩尔体积比为0.01mol：20～50mL，优选为0.01mol：40mL。
[0014]步骤2中所述加热的温度为70～90℃，搅拌时间为1～3小时。
[0015]步骤2中酒石酸的物质的量与步骤1重金属阳离子的物质的量的总和相同，所述重金属阳离子物质的量的总和即为Fe(NO3)3·
9H2O，Bi(NO3)2·
5H2O，KNO3和Ce(NO3)3·
6H2O的物质的量的总和。
[0016]步骤2中所述干燥的温度为60～80℃，干燥时间为8～12h。
[0017]步骤3所述煅烧温度为500～600℃，煅烧时间为1～3h。优选的，所述煅烧时的升温程序设置为5～15℃/分钟。
[0018]步骤3中将CKBF前驱体煅烧后，优选为自然降温，然后用乙醇和水洗数遍，再经烘干得到最终的CKBF压电制氢催化剂。
[0019]一种强磁性铈、钾
‑
铁酸铋固溶体压电制氢催化剂，通过上述方法制备得到，其化学式为Ce
x
K
y
Bi
(1
‑
x
‑
y)
FeO3(CKBF)，0.05≤x≤0.2，0.05≤y≤0.2。
[0020]所述强磁性铈、钾
‑
铁酸铋固溶体压电制氢催化剂在制氢领域中的应用。
[0021]A位上除了通过引入等价元素本专利技术通过异价元素的A位取代，增强材料结晶度和结构畸变，来提高压电响应以外，还能够造成B位元素的价态补偿，使得B位变价，从而达到增强铁磁性的目的；同时多元素形成的多元组分容易引起体系中出现端材料不同的固溶态结构，固溶体的出现不仅能抑制杂相生成，还能构建准同型相界，改善压电性能。针对以上存在的关键问题和A位掺杂的特性，本专利技术采取在A位上同时引入等价(Ce
3+
)和异价(K
+
)元素来部分取代原有的Bi
3+
，从而为BiFeO3基压电材料高效制氢和简易回收提供了可行的依据。本专利技术相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
[0022]本专利技术提供了一种强磁性铈、钾
‑
铁酸铋固溶体压电制氢催化剂的制备。一方面，选取价态相等、热稳定性好的稀土金属Ce
3+
取代A位的铋离子，提高材料的结晶度，破坏结构对称性，增强结构畸变，使得材料在压力的驱动下更容易产生极化电场，从而改善压电制氢的效果。另一方面，选取价态不同的碱金属K
+
取代A位的铋离子，引发铁离子的变价增加磁性响应，同时多元素多组分的存在能引发固溶形态的形成，从而抑制杂项生成和构建准同型相界以改善压电性能。本专利技术通过把适量比例的原材料进行本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种强磁性铈、钾
‑
铁酸铋固溶体压电制氢催化剂的制备方法，其特征在于具体包括以下步骤：步骤1：称取Fe(NO3)3·
9H2O，Bi(NO3)2·
5H2O，KNO3和Ce(NO3)3·
6H2O，与乙二醇混合得到混合溶液；步骤2：随后在步骤1所得混合溶液中加入酒石酸，在加热状态下持续搅拌，直到酒石酸彻底溶解形成凝胶，随后将凝胶干燥后得到CKBF前驱体；步骤3：将得到的CKBF前驱体煅烧，即获得CKBF压电制氢催化剂；步骤1所述Fe(NO3)3·
9H2O，Bi(NO3)2·
5H2O，KNO3和Ce(NO3)3·
6H2O的用量满足，Ce，K，Bi三者的物质的量之和与Fe的物质的量之比为1：1；其中Bi(NO3)2·
5H2O，KNO3和Ce(NO3)3·
6H2O的混合物中Bi、K和Ce三种元素所占的摩尔比分别为70～100％、0～15％和0～15％。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述Bi(NO3)2·
5H2O，KNO3和Ce(NO3)3·
6H2O的混合物中Bi、K和Ce三种元素所占的摩尔比分别为90～60％、5～20％和5～20％。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述Bi(NO3)2·
5H2O，KNO3和Ce(NO3)3·
6H2O的混合物中Bi、K和Ce三种元...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈阵，黄晓峰，
申请(专利权)人：广东粤绿环境工程有限公司，
类型：发明
国别省市：