CN110721697B - 一种Sr2FeTaO6光催化材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Sr2FeTaO6光催化材料及其制备方法和应用，该制备方法，包括如下步骤：(1)将油酸溶于无水乙醇中，再加入油酸钠，充分搅拌；(2)往溶液中加入五氯化钽，再加入有机铁盐和有机锶盐，搅拌使其完全溶解；(3)加入氢氧化钠，调节溶液的酸碱度；(4)将溶液加入到水热釜进行水热反应，反应结束后用无水乙醇和水反复冲洗，干燥得Sr2FeTaO6粉体。本发明利用油酸‑油酸钠体系制备的Sr2FeTaO6为环境友好型的含铁光催化降解大气中氮氧化物的催化剂，具有反应窗口温度宽、催化活性高、无污染等优点；该材料可以在常温条件下进行脱硝，对NO等NOx气体转化率高。
Description
技术领域
本发明属于常温脱硝光催化剂技术领域，具体涉及一种用于常温下烟气脱硝的Sr2FeTaO6光催化纳米材料及其制备方法和应用。
背景技术
氮氧化物(NOx)包括多种化合物,但主要成分为NO和NO2。人为活动排放的NOx主要是由燃料燃烧及化学工业生产所产生的，例如火力发电厂、化工厂、炼钢厂等有燃料燃烧的固定发生源和机动车等移动发生源。此外，工业生产过程及居民生活也会产生少量NOx。NOx不仅对人体和动植物有很强的毒害作用，还是形成酸雨、雾霾和光化学烟雾的主要原因，亦参与臭氧层的破坏。控制和治理氮氧化物的污染一直是国际环保领域的研究热点，
目前文献报道的NOx控制方法主要有选择性催化还原法(SCR)、吸附法和吸收法等。上述方法都存在着建设费用高，运行费用巨大的不足。相比于传统催化方法而言，光催化矿化NOx被认为是较为理想的治理空气污染的方法之一。但是现有催化剂主要是对紫外光有效应，而紫外光只占太阳光的5％左右，因此，太阳能利用率很低。太阳光中可见光部分约占43％，因此如何有效的利用可见光是实现光催化治理大气污染的首要条件。
目前，有可见光响应的光催化剂只有：1)以硫化镉为代表的硫化物，可见光光催化活性也很优异，但是硫化物不稳定，容易发生光解，无法有效利用；2) 掺杂光催化剂，如TaON,元素掺杂可以有效的扩展宽带隙光催化剂的吸光范围至可见光区，但是该类型光催化剂的稳定性和光催化活性有待进一步提高；3) 表面改性光催化剂，如调控光催化剂表面氧空位。上述材料都存在着性能较低且稳定性较差的缺陷，因此，开发新型具有可见光响应能力且稳定的光催化剂就显得至关重要。双钙钛矿材料因其特殊的层状结构和合适的导带和价带位置今年来备受关注。但该类材料目前的制备方法主要是以高温煅烧法为主，煅烧温度在 800-1400度之间(授权号：CN 103146385B,CN100111975C,CN100352789C；申请号：CN 103545537 A),所制备的双钙钛矿材料粒径为微米级，导致其催化活性过低，而已见报告的低温制备方法为高温水热法(授权号：CN 107824193B)，其反应温度也高达400摄氏度，且对反应设备要求较高，成本较大。
发明内容
发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于烟气脱硝的 Sr2FeTaO6光催化材料制备方法，本发明利用油酸-油酸钠体系制备的Sr2FeTaO6光催化材料，该材料为环境友好型的光催化剂，具有常温反应、催化活性高、环境友好的优势在移动源和固定源脱硝方面具有广阔的应用前景。
本发明还提供制备的Sr2FeTaO6光催化材料及其应用。
技术方案：为了实现上述目的，如本发明所述一种Sr2FeTaO6光催化材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将油酸溶于无水乙醇中，再加入油酸钠，充分搅拌，使其完全溶解；
(2)往步骤(1)得到的溶液中加入五氯化钽，再加入铁盐和锶盐，搅拌使其完全溶解；
(3)加入氢氧化钠溶液，调节溶液的酸碱度；
(4)将步骤(3)得到的溶液转移到水热釜进行水热反应，反应结束后用无水乙醇和水反复冲洗，干燥得Sr2FeTaO6粉体。
其中，步骤(1)所述油酸的量为1～17.5ml，油酸钠的量为10～500mg；乙醇的量为10～100ml。最优选的油酸和无水乙醇的体积比值为1:7，油酸钠优先选300mg。
作为优选，步骤(2)所述五氯化钽、锶盐与铁盐的摩尔比为 0.5～4:0.25～4:0.5～4。最优选的摩尔比为1:2:1。
作为优选，步骤(2)所述铁盐，为氯化铁，硝酸铁或者乙酰丙酮铁。最优选乙酰丙酮铁。
作为优选，步骤(2)所述锶盐为硝酸锶或者乙酸锶。最优先为乙酸锶。
其中，步骤(3)所述加入氢氧化钠溶液的后溶液的pH范围为10～14。
其中，步骤(4)所述水热反应的加热温度为120～220℃，加热时间为6h～96h。最优选选择200℃，加热12h。
本发明所述的制备方法所制备的Sr2FeTaO6光催化材料。
本发明所述的Sr2FeTaO6光催化材料在烟气脱硝中的应用。
本发明中所有原料均是由市售可得。
机理：本发明采用有机和水混合体系，具体是采用油酸-油酸钠体系制备Sr2FeTaO6光催化纳米材料，可以使得水热反应温度大大降低，只需要 120-200℃左右即可实现，而纯水体系中需要400℃才能实现，同时通过在有机金属盐与油酸之间形成有机MOF框架结构，以此来控制反应速率，实现 Sr2FeTaO6材料的纳米化制备，本发明中形成MOF之后，相当于将金属离子固定了，由于油酸分子有较长的碳链，因此空间位阻较大，可以限制金属离子参与反应的速率。如果不形成MOF，金属离子间会在很短的时间内完成反应，导致合成的颗粒粒径达到微米级。
本发明首次发现通过在有机-水混合体系中，可以在较低的温度，采用常见的水热法制备得到双钙钛矿纳米材料(Sr2FeTaO6纳米颗粒)，且对反应设备要求低，成本小。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明所涉及到的新型双钙钛矿Sr2FeTaO6光催化材料的制备方法具有工艺简单、成本低、原料广，具有制备过程易控制以及收率高等优点；所制备得到的Sr2FeTaO6光催化材料为纳米量级的片状，与传统高温煅烧法制备的Sr2FeTaO6光催化材料相比具有更大的比表面积以及更多的表面悬键，有利于光催化氮氧化物降解性能的大幅提升。
(2)本发明制备Sr2FeTaO6光催化脱硝材料具有常温反应、催化活性高、环境友好的优势在移动源和固定源脱硝方面具有广阔的应用前景；该催化剂可以在常温条件下进行脱硝，NO等NOx气体转化率高。NO的转化率可以达到60％以上，连续运行100h活性无大的波动。
(3)本发明利用油酸-油酸钠体系制备的Sr2FeTaO6为环境友好型的含铁光催化降解大气中氮氧化物的催化剂，具有反应窗口温度宽、催化活性高、无污染等优点；该材料可以在常温条件下进行脱硝，同时本发明制备Sr2FeTaO6脱硝光催化剂的方法，工艺简单、成本低、原料广，具有制备过程易控制以及收率高等优点。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的Sr2FeTaO6粉体光催化脱硝材料的TEM图；
图2为本发明实施例1制备的Sr2FeTaO6粉体光催化脱硝材料的XRD图；
图3为本发明实施例1制备的Sr2FeTaO6粉体光催化脱硝材料的性能图；
图4为本发明对比例1制备的SrTa2O6粉体光催化脱硝材料的XRD图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
Sr2FeTaO6脱硝催化剂材料的制备及催化脱硝评价
(1)将7.5ml的油酸溶于52.5ml的无水乙醇中，再加入300mg的油酸钠，充分搅拌，使其完全溶解；
(2)往上述溶液中加入1.074g的五氯化钽，再加入1.059g的乙酰丙酮铁和 1.234g的乙酸锶，搅拌12h左右，使其完全溶解；
(3)加入氢氧化钠溶液(8M)，搅拌溶解，此时溶液pH为12。
(4)将溶液加入到水热釜进行水热反应200℃，加热反应12h，用无水乙醇和水冲洗，干燥得Sr2FeTaO6粉体；
其步骤(4)的Sr2FeTaO6粉体的TEM图和XRD图如图1和图2所示，图1为Sr2FeTaO6材料的形貌图，图2说明所制备的材料是Sr2FeTaO6催化剂。
活性测试方法：采用固定床反应器进行催化剂性能评价，将制备的 Sr2FeTaO6催化脱硝材料装填入一个石英管反应器中，上下端面用石英棉固定；评价气体采用钢瓶配气，通过质量流量计调节气体组分。评价气体组分如下： NO:500ppm，NH3:500ppm，O2:10％，湿度为50％，N2为平衡气，流速：1L·h-1，反应器出口尾气浓度采用FIX800-NOx氮氧化物气体探测器检测。测试温度范围为常温20～25℃。NO的转化率在60％，如图3所示。
对比例1
(1)将7.5ml的油酸溶于52.5ml的无水乙醇中，再加入300mg的油酸钠，充分搅拌，使其完全溶解；
(2)往上述溶液中加入1.074g的五氯化钽，再加入1.059g的乙酸铁和 1.234g的乙酸锶，搅拌12h左右，使其完全溶解；
(3)加入氢氧化钠溶液(8M)，搅拌溶解，此时溶液pH为12。
(4)将溶液加入到水热釜进行水热反应200℃，加热反应12h，用无水乙醇和水冲洗，干燥得SrTa2O6粉体；XRD图如图4所示，说明所制备的材料是 SrTa2O6。
实施例2
(1)将17.5ml的油酸溶于100mL的无水乙醇中，再加入500mg的油酸钠，充分搅拌，使其完全溶解；
(2)往上述溶液中加入2.148g的五氯化钽，再加入2.118g的乙酰丙酮铁和1.234g的乙酸锶，搅拌12h左右，使其完全溶解；
(3)加入氢氧化钠溶液(8M)，搅拌溶解；此时溶液pH为14。
(4)将溶液加入到水热釜进行水热反应200℃，加热反应12h，用无水乙醇和水冲洗，干燥得Sr2FeTaO6粉体；
本实施例测得NO的转化率在57.6％以上。
实施例3
(1)将5ml的油酸溶于10mL的无水乙醇中，再加入200mg的油酸钠，充分搅拌，使其完全溶解；
(2)往上述溶液中加入2.148g的五氯化钽，再加入1.059g的乙酰丙酮铁和 1.234g的乙酸锶，搅拌12h左右，使其完全溶解；
(3)加入氢氧化钠溶液(8M)，搅拌溶解；此时溶液pH为10。
(4)将溶液加入到高压水热釜进行水热反应200℃，加热反应12h，用无水乙醇和水冲洗，干燥得Sr2FeTaO6粉体。
本实施例测得NO的转化率在55.5％以上。。
实施例4
与实施例1制备方法相同，不同之处在，将步骤(2)的乙酸锶换成硝酸锶，乙酰丙酮铁替换成硝酸铁，五氯化钽、硝酸锶与硝酸铁的摩尔比为1:1:1；步骤 (4)将溶液加入到高压水热釜进行水热反应220℃，加热反应6h。
实施例5
与实施例1制备方法相同，不同之处在，将步骤(2)的乙酸锶换成硝酸锶，乙酰丙酮铁替换成氯化铁，其他不变，五氯化钽、硝酸锶与硝酸铁的摩尔比为 2:1:2；步骤(4)将溶液加入到高压水热釜进行水热反应120℃，加热反应96h，
实施例6
与实施例3制备方法相同，不同之处在，将油酸的量为1ml，油酸钠的量为10mg；乙醇的量为10ml
实施例4-6测得NO的转化率均在在55％以上。
Claims (6)
1.一种Sr2FeTaO6光催化材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将油酸溶于无水乙醇中，再加入油酸钠，充分搅拌，使其完全溶解；
（2）往步骤（1）得到的溶液中加入五氯化钽，再加入有机铁盐和有机锶盐，搅拌使其完全溶解；所述铁盐为乙酰丙酮铁，所述锶盐为乙酸锶；
（3）加入氢氧化钠，调节溶液的pH范围为10~14；
（4）将步骤（3）得到混合溶液转移到水热釜进行水热反应，反应结束后待其自然冷却，用无水乙醇和水反复冲洗，干燥得Sr2FeTaO6粉体。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述油酸的量为1~17.5 mL，油酸钠的量为10~500mg；乙醇的量为10~100mL。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述五氯化钽、锶盐与铁盐的摩尔比为0.5~4:0.25~4:0.5~4。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）所述水热反应的加热温度为120~220℃，加热时间为6h~96h。
5.一种权利要求1所述的制备方法所制备的Sr2FeTaO6光催化材料。
6.一种权利要求5所述的Sr2FeTaO6光催化材料在烟气脱硝中的应用。
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