碳掺杂五氧化二铌纳米结构可见光光催化剂及其非水体系低温制备

摘要

本发明公开了一种碳掺杂五氧化二铌纳米结构可见光光催化剂及其非水体系低温制备方法。它以氯化铌为前躯体，以苯甲醇为溶剂和碳源，在溶剂热条件下反应一定时间后便可以得到碳掺杂五氧化二铌，干燥后便得到碳掺杂五氧化二铌纳米结构可见光光催化剂。使用本发明方法制备的碳掺杂五氧化二铌具有纳米片和纳米颗粒共存的结构，比表面积大。碳的掺杂使五氧化二铌的带隙能变窄，使其对可见光有明显的响应，在可见光下表现出显著的光催化降解染料污染物和光解水活性。本发明工艺简单，成本低，环境友好，产率高，符合实际生产需要，有较大的应用潜力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种五氧化二铌光催化剂及其制备方法，具体为碳掺杂五氧化二铌纳米结构可见光光催化剂及其非水体系低温制备方法。

背景技术

纳米五氧化二铌是一种高效节能的光催化功能材料，因其禁带宽度大，氧化能力强、光催化活性高、稳定性高、能耗低、可重复使用等优点而被应用在低浓度废水处理、空气净化，光解水制氢气等领域。因此以五氧化二铌为基础的研究得到了广泛关注。

由于五氧化二铌禁带较宽，所以只在紫外光条件下有光催化活性。例如Chen(Appl.Surf.Sci.2007，253，8500.)等用溶胶-凝胶法合成介孔五氧化二铌光催化剂在紫外光下有显著的光催化活性。但是在制备过程中用到了表面活性剂P123，在高温煅烧除去P123的过程中容易产生一些污染大气的气体，不利于环境保护。Esteves(Catal.Commun.2008，10，330)等在低温条件下得到了钼/钨掺杂的五氧化二铌，虽然其光催化活性比纯五氧化二铌有了很大的提高，但其催化活性仍然局限在紫外光范围内。如果能改进五氧化二铌的光吸收，使其吸收可见光，利用可见光催化，就可以充分利用太阳能。因此很多科学家合成二元和三元的金属氧化物例如，InNbO₄，FeNbO₄，Pb₂Nb₂O₇，Pb₃Nb₂O₈，Pb₃Nb₄O₁₃，和Ag_0.7Na_0.3NbO₃等。但是这些化合物的制备往往需要高温条件，能量消耗很大。因此，低温条件下用简单方法来合成五氧化二铌为基础的可见光纳米催化剂对人们仍然是一个挑战。

专利CN86107657 A以氢氧化铌为铌源，依次经酸洗，水洗后在500～750℃条件下煅烧后得到了球状的五氧化二铌，该产品适用于独石陶瓷电容器。苏联专利文献891566介绍了制取高纯五氧化二铌的工艺方法，其方法是将氢氧化铌置于纯水中，用草酸加热到氢氧化铌完全溶解后，热过滤，冷却，将固体草酸铌结晶与母液分离，用草酸的乙醇溶液洗涤结晶的草酸铌，于800～900℃进行热分解1～3小时，该工艺生产出的五氧化二铌可以作为光学玻璃的原料。但是上述两种方法工艺复杂，能量消耗很大，并且产品均为纯的五氧化二铌。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳掺杂五氧化二铌纳米结构光催化剂及其制备方法。用本发明方法制备的碳掺杂五氧化二铌纳米结构的光吸收红移，有很高的可见光光催化活性等功能。

本发明的技术方案是，一种碳掺杂五氧化二铌纳米结构光催化剂。

本发明的碳掺杂五氧化二铌纳米结构光催化剂制备方法，其特征为非水溶剂热法，包括以下步骤：

1、将氯化铌加入苯甲醇中，在室温下磁力搅拌20分钟后形成白色悬浊液，其中氯化铌的浓度为0.05摩尔/升～0.1摩尔/升；

2、将步骤1得到的白色悬浊液置于聚四氟乙烯反应釜中，在150～210℃的氛围中溶剂热处理20～40小时，形成淡黄色沉淀；

3、将步骤2得到的淡黄色沉淀经水与乙醇洗涤后分离、在50℃下干燥后，便得到碳掺杂五氧化二铌纳米结构光催化剂材料。

本发明采用非水体系溶剂热法成功制备出了碳掺杂五氧化二铌纳米结构光催化剂，制备的碳掺杂五氧化二铌具有纳米片和纳米颗粒共存的结构，比表面积大。碳的掺杂使五氧化二铌的带隙能变窄，使其对可见光有明显的响应，在可见光下表现出显著的光催化降解染料污染物和光解水活性。在3个小时的可见光照射下，罗丹明B的几乎完全降解。而且本发明方法合成的碳掺杂五氧化二铌能在可见光下光催化分解水制备氢气。本发明工艺简单，成本低，而且环境友好，便于进一步扩大生产。

本发明的效果和优点：

1.采用本发明方法得到的碳掺杂五氧化二铌实现了光吸收红移，为利用太阳光进行环境污染治理提供了新的光催化材料。

2.整个工艺过程简单易控制，耗能少，产率高，成本低，符合实际生产需要。

3.与现有技术合成的二元和三元的金属氧化物可见光催化剂和专利报道的五氧化二铌功能材料相比，合成条件温和，耗能少，简单易行，产品纯度高，质量稳定。并且在可见光的激发下能在短时间内快速完全降解罗丹明B和光解水，为其实现工业化应用提供了基础。

以下结合附图和实施例进一步对本发明进行说明。

附图说明

图1是实施例2所得粉体的XRD衍射图，衍射峰对应的是编号为(JCPDS，28-317)的五氧化二铌。

图2是实施例2所得粉体的XPS全谱图，从XPS图看出样品表面含有铌，氧，碳三种元素。

图3是实施例2所得粉体的SEM图，从SEM图片可以明显的看出所制备的碳掺杂五氧化二铌具有纳米尺寸，纳米片厚度大约100纳米。

图4是实施例2与商品二氧化钛P25在可见光照射下降解罗丹明B和罗丹明B自降解的效果比较图。

图5是实施例2中所得的样品在可见光照射下光催化分解水制得氢气的产量。

碳掺杂五氧化二铌纳米光催化剂测试，通过在可见光下降解罗丹明B和催化分解水制氢气进行表征。其中用500瓦卤钨灯作为光源，并加上滤波片，将波长小于420纳米的光滤去，从而得到可见光。催化剂的用量为0.1克。罗丹明溶液的浓度为5毫克/升，体积为100毫升。从图4中可以看出，经过3个小时的可见光照射后，罗丹明B本身几乎不降解，而2中所制备样品可以使罗丹明B几乎完全降解，相比商品催化剂P25降解效果明显增强。从图5可以看出0.05克2中所制备样品在可见光照射5小时后可制得110微摩尔氢气。

具体实施方式

实施例1

将氯化铌加入10毫升苯甲醇中，在室温下磁力搅拌形成白色悬浊液，氯化铌的浓度为0.05摩尔/升，然后把悬浊液置于20毫升体积的聚四氟乙烯反应釜中，在150℃的氛围中溶剂热处理20小时，形成淡黄色沉淀，将得到的淡黄色沉淀经水与乙醇洗涤后分离、在50℃下干燥后，便得到碳掺杂五氧化二铌纳米结构光催化剂材料。

实施例2

将氯化铌加入10毫升苯甲醇中，在室温下磁力搅拌形成白色悬浊液，氯化铌的浓度为0.05摩尔/升，然后把悬浊液置于20毫升体积的聚四氟乙烯反应釜中，在180℃的氛围中溶剂热处理20小时，形成淡黄色沉淀，将得到的淡黄色沉淀经水与乙醇洗涤后分离、在50℃条件下烘干后，便得到碳掺杂五氧化二铌纳米结构光催化剂材料。

实施例3

将氯化铌加入10毫升苯甲醇中，在室温下磁力搅拌20分钟后形成白色悬浊液，氯化铌的浓度为0.05摩尔/升，然后把悬浊液置于20毫升体积的聚四氟乙烯反应釜中，在210℃的氛围中溶剂热处理20小时，形成淡黄色沉淀，将得到的淡黄色沉淀经水与乙醇洗涤后分离、在50℃条件下烘干后，便得到碳掺杂五氧化二铌纳米结构光催化剂材料。

实施例4

将氯化铌加入10毫升苯甲醇中，在室温下磁力搅拌20分钟后形成白色悬浊液，氯化铌的浓度为0.1摩尔/升，然后把悬浊液置于20毫升体积的聚四氟乙烯反应釜中，在180℃的氛围中溶剂热处理20小时，形成淡黄色沉淀，将得到的淡黄色沉淀经水与乙醇洗涤后分离、在50℃条件下烘干后，便得到碳掺杂五氧化二铌纳米结构光催化剂材料。

实施例5

将氯化铌加入10毫升苯甲醇中，在室温下磁力搅拌20分钟后形成白色悬浊液，氯化铌的浓度为0.05摩尔/升，然后把悬浊液置于20毫升体积的聚四氟乙烯反应釜中，在180℃的氛围中溶剂热处理40小时，形成淡黄色沉淀，将得到的淡黄色沉淀经水与乙醇洗涤后分离、在50℃条件下烘干后，便得到碳掺杂五氧化二铌纳米结构光催化剂材料。