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CN105664915B - 一种蛭石表面原位生长铌酸钾材料及其制备方法 - Google Patents

一种蛭石表面原位生长铌酸钾材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种蛭石表面原位生长铌酸钾及其制备方法,蛭石表面原位生长铌酸钾的制备方法是采用一步水热法,将蛭石置于含氢氧化钾和五氯化铌的溶液中,通过控制反应温度、时间来控制KNbO3在蛭石上成核和生长,其中铌酸钾以一维针状结构原位生长于二维层状蛭石的内外层表面,构成了三维结构的KNbO3/VMT材料,其中KNbO3与蛭石通过化学键相互作用,附着力较大。该制备方法,过程简便。该材料可用作光催化材料。本发明解决了以往只能采用KNbO3粉体作为催化剂,反应原料容易流失,储存、分离困难和回收成本高昂等问题。

Description

一种蛭石表面原位生长铌酸钾材料及其制备方法
技术领域:
本发明涉及一种光催化降解材料及其制备方法,具体涉及铌酸钾/蛭石材料及其制备方法。
背景技术:
随着全球工业化进程的快速发展,在印染业、造纸业等产生的大量含有有机污染物的废水被直接排入到自然环境中,引发了一系列严峻的环境污染问题。一般来说,这些有机污染物,比如染料等,都是难以自然降解的。因而,可以采用半导体材料作为光催化剂去消除这些水体中难以去除的污染物质。为了解决这一环境污染问题,人们进行了大量的研究去合成新型的半导体为基础的光催化剂。在这些被研究的光催化剂中,钙钛矿型氧化物因其在电、磁、光等方面都具有优异的性能,而备受人们的关注。钙钛矿型氧化物有一般公式ABO3(阳离子A比B具有更大的尺寸)。到目前为止,已经有关于以铌酸钾为基础的光催化材料的大量报道。在文献Nanoscale,2011,3,5161里,Lan等人合成了一种金纳米颗粒负载的一维铌酸钾纳米线材料,它在紫外光和可见光下的光催化性能都得到了大幅度的提高。在文献Chemical Engineering Journal 226(2013)123–130里,Wang等人合成了一种掺杂氮元素的铌酸钾纳米块,提高了其光解水和光降解染料的能力。然而,在仅利用铌酸钾粉体进行光催化降解的过程中仍存在有一些亟待解决的问题。其缺点是:细小的铌酸钾颗粒在悬浮液中很容易团聚,会使得光催化材料在光反应过程中的有效表面积和光催化效率急剧减弱。此外,这种光催化粉体材料在储存,回收和循环使用方面的高成本限制了其实际应用。特别是在反应完成后,将铌酸钾粉体从污水中有效地进行分离,仍是一个难题。
目前,考虑到介孔材料具有大的表面积,可控孔径大小和较小的孔径大小分布等特点,人们逐渐关注于将催化剂粉体负载到其上,以期解决上述分离和回收的难题。在目前已知的一些常见的介孔材料中,蛭石以其大的表面积、优异的吸收特性、热稳定性好和可再生,成为光催化剂负载的最佳选择。
蛭石的化学式为Mgx(H2O){Mg3-x[AlSiO3O10](OH)2},是一种重要的非金属矿物,它是一种层状结构的含镁的水铝硅酸盐次生变质矿物,属层状硅酸盐,价廉易得。在蛭石的四面体结构中,Al代替Si或Fe3+代替Si,使得层板上产生层电荷,并且带负电,能吸附阳离子。对于催化剂所需的载体材料而言,从其分离和回收的角度来说,所选择的载体具有优良的吸附性能和热稳定性则显得尤为重要。以蛭石为载体,一方面可实现铌酸钾的固载,有效防止铌酸钾团聚;另一方面,增强蛭石对有机污染物的吸附,使有机污染物聚集至铌酸钾的周围,大大提高其光催化降解速率。
在文献Dalton Trans,2014,43,9296里,Zhang等人合成了一种蛭石上负载硫化镉量子点的新型光催化材料,它在光解水制氢方面有着较好的应用。受该文献启发,发现将铌酸钾固定在蛭石上,可以使铌酸钾的光催化性能得以更好体现。
发明内容:
本发明的目的是提供一种蛭石表面原位生长铌酸钾材料及其制备方法,该材料可用作光催化材料。
本发明提供的蛭石表面原位生长铌酸钾材料:是以蛭石为基体,活性组份铌酸钾生长于层状蛭石表面,表示为KNbO3/VMT,其中VMT代表蛭石。铌酸钾以一维针状结构原位生长于二维层状蛭石的内外层表面,构成了三维结构的KNbO3/VMT材料。
本发明提供的蛭石表面原位生长铌酸钾材料的制备方法,具体步骤如下:
在反应容器中,加入浓度为7~35mol/L的氢氧化钾溶液,约占容器一半体积,再按氢氧化钾与蛭石的质量比为40~50:1加入处理后的蛭石,然后按氢氧化钾与Nb5+的摩尔比为45:1~55:1加入铌源,室温下搅拌30分钟;密封反应容器,于120℃~180℃温度下恒温反应12~18小时,待溶液冷却后取出反应容器底部块状产物,用去离子水冲洗干净,烘干,得到KNbO3/VMT结构化材料。
所述的蛭石是平均尺寸为1~3mm的块状金黄色蛭石、银白色蛭石、乳白色蛭石;所述的处理后的蛭石是将蛭石用乙醇溶液浸泡10~15小时,用去离子水冲洗干净。所述的铌源是五氯化铌或三氯化铌。
蛭石在极性水溶液中,因表面带负电荷,必然导致静电吸附溶液中的金属阳离子。因此当五氯化铌或三氯化铌释放出Nb5+时,当蛭石表面的离子浓度达到过饱和后可以形成KNbO3晶核,层状蛭石基体表面的KNbO3晶核逐渐长大,形成以蛭石为基体的KNbO3材料。其中KNbO3能够很好地固定和分散在蛭石的表面,在光催化的过程中,蛭石将待降解染料物质吸附到铌酸钾周围,使其光催化效率得以提高。
对得到的样品进行了下列表征:
图1为实施例1所采用的KNbO3(a)和制备的KNbO3/VMT(b)的衰减全反射傅立叶变换光谱(ATR-FT-IR)谱图。图a中,在450~1000cm-1范围内的吸收峰是由铌酸钾中NbO6八面体引起。在623cm-1处的强吸收峰,是由共角的八面体中的O-Nb-O伸缩振动引起,在在500cm-1处的峰是由共边八面体引起的。在3441cm-1和1641cm-1处的弱吸峰是由合成的铌酸钾样品表面吸收的水分子造成。在2316cm-1,2345cm-1和1383cm-1处的峰是由铌酸钾样品表面对二氧化碳分子的吸收造成。图b中可见也有KNbO3对应的特征峰,其他峰根据文献,可知对应于VMT特征峰。
图2是实施例1中改性蛭石、铌酸钾及KNbO3/VMT对应的XRD图谱。图中c出现铌酸钾样品对应的(110)、(111)、(220)、(221)、(311)和(222)特征衍射峰,这说明制备得到的材料中的活性组分是铌酸钾。
图3和图4是实施例1制备的KNbO3/VMT扫描电子显微镜(SEM)相片。由图3可见,在平整的蛭石表面上存在大量不规则的针状阵列结构,这些针状结构均与蛭石基体有一定的夹角,说明铌酸钾在蛭石上实现了原位生长。
图4是蛭石基底上生长铌酸钾的截面图,铌酸钾生长在蛭石层板上,扩大了蛭石层板间距离。
图5是采用ESCALAB 250电子仪铌酸钾粉体与KNbO3/VMT材料得到的XPS数据图,由图a可见,铌酸钾粉体在Nb3d5/2和Nb3d3/2结合能分别约为206.067eV和208.822eV,而在图b中,KNbO3/VMT材料对应的结合能则为206.593eV和209.290eV。
本发明的显著效果:首次采用了五氯化铌和三氯化铌作为铌源,利用蛭石在极性水溶液中静电吸附金属阳离子Nb5+形成KNbO3晶核,铌酸钾以针状阵列生长在蛭石表面,以构筑KNbO3/VMT三维结构。KNbO3粉体本身对亚甲基蓝光降解效率较低,且回收成本高。本发明中的KNbO3/VMT三维结构材料在用于光催化降解亚甲基蓝物质时,其光降解性能有大幅度提高。并且所选载体蛭石是天然物质,绿色安全。
附图说明
图1是实施例1KNbO3/VMT材料的红外光谱图。其中,a为KNbO3的曲线,b为KNbO3/VMT的曲线。
图2是实施例1铌酸钾蛭石材料的XRD图。其中a为VMT的曲线,b为KNbO3的曲线,c为KNbO3/VMT的曲线。
图3是实施例1蛭石表面上生长的铌酸钾平面图。
图4是实施例1蛭石基底上生长的铌酸钾截面图。
图5是实施例1铌酸钾和铌酸钾蛭石材料的XPS图。其中图a为KNbO3对应曲线图,b为KNbO3/VMT对应曲线图。
具体实施方式
实施例1
将剥层蛭石采用乙醇浸泡12h,用去离子水洗净后烘干备用。在250ml反应器中,将39.2g KOH溶解于30ml去离子水中,搅拌使其彻底溶解,直至溶液澄清。取0.5g处理好的蛭石置于上述反应容器中,再加入1.84g NbCl5,室温下搅拌30分钟。搅拌完成后,将反应液移入到80ml反应釜中,于180℃下恒温反应12h,待溶液冷却后取出蛭石,用去离子水反复冲洗干净,在60℃下24小时烘干,得到KNbO3/VMT。
对其结构进行的表征如图1-5所示,表明蛭石表面所形成的针状结构为铌酸钾。
实施例2
将剥层蛭石采用乙醇浸泡12h,用去离子水洗净后烘干备用。在250ml反应器中,将39.2g KOH溶解于50ml去离子水中,搅拌使其彻底溶解,直至溶液澄清。取1g处理好的蛭石置于上述反应容器中,再加入1.84g NbCl5,室温下搅拌30分钟。搅拌完成后,将反应液移入到80ml反应釜中,于200℃下恒温反应18h,待溶液冷却后取出蛭石,用去离子水反复冲洗干净,在60℃下24小时烘干,得到KNbO3/VMT。
实施例3
将剥层蛭石采用乙醇浸泡12h,用去离子水洗净后烘干备用。在250ml反应器中,将39.2g KOH溶解于70ml去离子水中,搅拌使其彻底溶解,直至溶液澄清。取1.5g处理好的蛭石置于上述反应容器中,再加入1.84g NbCl5,室温下搅拌30分钟。搅拌完成后,将反应液移入到100ml反应釜中,于160℃下恒温反应24h,待溶液冷却后取出蛭石,用去离子水反复冲洗干净,在60℃下24小时烘干,得到KNbO3/VMT。
实施例4
将剥层蛭石采用去离子水浸泡12h,烘干备用。在250ml反应器中,将39.2g KOH溶解于100ml去离子水中,搅拌使其彻底溶解,直至溶液澄清。取2g处理好的蛭石置于上述反应容器中,再加入1.84g NbCl5,室温下搅拌30分钟。搅拌完成后,将反应液移入到200ml反应釜中,于120℃下恒温反应12h,待溶液冷却后取出蛭石,用去离子水反复冲洗干净,在60℃下24小时烘干,得到KNbO3/VMT。
应用例
取铌酸钾及实施例1-4所得到的KNbO3/VMT进行降解对比实验,分别将上述各样品0.3g加入到100ml浓度为20mg/L的亚甲基蓝溶液中,在室温条件下,无光照环境中磁力搅拌30分钟,再用300w氙灯进行光照处理,恒温搅拌。每隔45分钟取样3ml,将所取样用离心机进行分离,取上层清液。用紫外可见分光光度计在665nm处测得亚甲基蓝剩余含量。并计算出样品的降解率,结果见表1所示。该KNbO3/VMT催化剂在回收后,能够重复使用5次以上。而铌酸钾粉体催化剂的回收量明显有所减少,经表征计算大约在30%~45%。而KNbO3/VMT结构催化剂中活性组份的流失是非常少的,经表征计算大约在1%~10%。
表1
从表1中可以看出采用KNbO3/VMT对于亚甲基蓝的光降解效率远高于纯的铌酸钾粉体。

Claims (2)

1.一种蛭石表面原位生长铌酸钾光催化材料的制备方法,具体步骤如下:
在反应容器中,加入浓度为7~35mol/L的氢氧化钾溶液,占容器一半体积,再按氢氧化钾与蛭石的质量比为40~50:1加入处理后的蛭石,然后按氢氧化钾与Nb5+的摩尔比为45:1~55:1加入铌源,室温下搅拌30分钟;密封反应容器,于120℃~180℃温度下恒温反应12~18小时,待溶液冷却后取出反应容器底部块状产物,用去离子水冲洗干净,烘干,得到KNbO3/VMT蛭石光催化材料;
所述的铌源是五氯化铌;所述的蛭石是平均尺寸为1~3mm的块状金黄色蛭石、银白色蛭石、乳白色蛭石;所述的处理后的蛭石是将蛭石用乙醇溶液浸泡10~15小时,用去离子水冲洗干净。
2.一种根据权利要求1所述的方法制备的蛭石表面原位生长铌酸钾光催化材料:是以蛭石为基体,活性组份铌酸钾生长于层状蛭石表面,表示为KNbO3/VMT,其中VMT代表蛭石;其中铌酸钾以一维针状结构原位生长于二维层状蛭石的内外层表面,构成了三维结构的KNbO3/VMT材料。
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