CN103157462A - 一种新型钨酸锰光催化剂的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钨酸锰光催化剂的制备方法。此类光催化剂的制备过程利用超声合成法，得到了具有三维分等级结构的纳米级光催化剂。此类催化剂晶型完整，热稳定性高，具有良好的光催化降解活性，合成时间短，制备流程简单可控，其特殊的三维分等级结构也有利于光催化剂的回收再利用过程。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种纳米级光催化剂的制备方法。
【背景技术】
环境污染问题已成为目前制约社会发展的严重障碍。尤其是工业污水中的有机污染物如多环芳烃、酚类、氯苯类等，难以进行生物降解，具有生物累积性和极强的致毒性，对生态环境的危害难以估量。利用光催化降解反应来处理废水中的有机污染物，是治理水体污染的一条有效途径。这项新型的污染治理技术具有降解彻底、能耗低、操作简便、降解条件温和等优势，在光催化剂的辅助下，可将有机污染物完全转化为无机小分子，满足日益提高的污水排放标准。
近年来研究者尝试制备了多种光催化剂对废水中的有机污染物进行光降解实验，研究结果证实多种具有光催化氧化作用的纳米级光催化剂如TiO2、ZnO、CdS等，对有机物的降解过程可起到优异的催化性能。钠米级光催化剂的光电催化性能与其粒径和结构之间具有直接的关系，因此采用适当的合成方法调控最终产物的结构和形貌成为纳米合成领域的研究热点之一。报道显示钨酸盐简单的纳米结构如纳米颗粒、纳米棒、纳米片等可以通过软化学方法有效制备，然而分等级结构尤其是三维分等级结构的制备报道却很少。三维分等级结构的组成机元保持在纳米尺度范围内，具有高的光催化效率，同时其较大的尺寸有利于光催化剂的回收利用。因此，制备三维分等级结构的光催化剂对于其推广应用具有现实意义。
本发明的目的是提供一种制备流程简单可控、热稳定性高的钨酸锰光催化剂的制备方法。此类催化剂的形貌为由纳米薄片分层次组合成的花瓣状结构，此类光催化剂具有良好的光催化降解活性，其特殊的三维分等级结构也有利于光催化剂的回收再利用过程。
【发明内容】
本发明提供一种制备过程简单可控、具有三维分等级花瓣状结构、光催化性能良好的钨酸锰光催化剂。
本发明中的钨酸锰光催化剂是通过以下步骤制备的：
——a向含有1.0mmol MnCl2·4H2O的50ml水溶液中加入1g PEG2000，剧烈搅拌直至得到均匀澄清的溶液；
——b向溶液中加入50ml含1.0mmol Na2WO4·2H2O水溶液；
—— c将溶液转置入超声波粉碎机中超声半小时(设置为超声5秒，间歇15秒)，合成过程中利用冷却***将体系温度保持在323K以下；
——d将反应液高速离心得到沉淀，利用无水乙醇和去离子水反复清洗沉淀，在60℃下干燥4小时，可得钨酸锰样品。
本发明利用超声法合成钨酸锰光催化剂。当反应液受到高强度的超声波照射时，在低压时溶液中会形成气穴，然后在高压时气穴发生塌陷。气穴所释放的能量能显著提高反应速率，可保证得到的产物具有良好的结晶度，同时又可以有效控制纳米粒子的粒径和分散度。
X射线衍射谱图显示得到的产品为单斜晶系钨锰矿结构，样品的晶型良好，这说明超声过程提供的能量可在较低的反应温度条件下保证样品晶型的完整，超声波的利用可有效缩短反应时间，反应过程简单可控，同时超声波提供的较高能量也有利于特殊形貌的产生。
利用扫描电子显微镜我们可以观察到钨酸锰样品形貌非常规则，表现为由多片纳米薄片分层次组合成的花瓣状，样品形貌均一，没有发现其它形貌存在。花瓣状结构是由很多二维薄片结合在一起形成的多层结构。这些薄片的直径在200-400nm，厚度为10-30nm，采用边-边结合的方式形成花状结构。这种分等级的花瓣状结构在溶液中经长时间超声仍能够保持其结构完整，不会被破坏变成分散的纳米片。
利用此种超声法合成的钨酸锰样品具有特殊的三维分等级花瓣状结构，一方面是由于超声源所提供的局部超高能量，表面活性剂聚乙二醇的加入也对此种形貌的产生至关重要。在反应过程中聚乙二醇分子吸附在钨酸锰颗粒表面形成了一层大分子亲水保护膜，其分子链较长，形成的保护膜空间位阻作用较大，同时聚乙二醇分子的碳氢长链对钨酸锰侧面具有一定的稳定作用，于是在超声波作用下形成了片状的多层结构。
此类三维分等级的钨酸锰纳米结构由许多纳米薄片分层次组合成的花瓣状结构构成的，具有超高的比表面积，在光降解过程中其表面染料的吸附量更高，增加了其表面的光生电子/空穴与染料分子相互作用的几率，从而具有更高的光催化活性。光降解实验显示此类钨酸锰样品具有比钨酸铋样品更优异的光催化活性，可有效降解罗丹明B染料。同时具有良好的热稳定性，多次回收和超声分散过程仍不会破坏其三维分等级结构，光催化性能也无明显衰减。
本发明的优点及效果：
1、本发明利用超声法合成钨酸锰光催化剂，具有反应时间短、反应条件简单可控的优势，制备得到的产物具有较高的比表面积、良好的结晶度和特殊的三维分等级花瓣状结构。
2、本发明利用制备的钨酸锰作为光催化剂，可有效降解罗丹明B染料的水溶液，在回收过程中仍可有效保留其三维分等级结构。
【附图说明】
图1、MnWO4样品的扫描电镜照片；
图2、罗丹明B水溶液的吸收光谱随时间的变化趋势(插图为以罗丹明B水溶液作为污染水体系模型来评价本发明所制备的钨酸锰光催化剂的光催化性能曲线)。
【具体实施方式】
向含有1.0mmol MnCl2·4H2O的50ml水溶液中加入1g PEG2000，剧烈搅拌直至得到均匀澄清的溶液；向溶液中加入50ml含1.0mmol Na2WO4·2H2O水溶液；将溶液转置入超声波粉碎机中超声半小时(设置为超声5秒，间歇15秒)，合成过程中利用冷却***将体系温度保持在323K以下；将反应液高速离心得到沉淀，利用无水乙醇和去离子水反复清洗沉淀，在60℃下干燥4小时，可得钨酸锰样品。
Claims (1)
1.一种钨酸锰光催化剂，其特征在于此光催化剂是通过以下步骤制备的：
——a向含有1.0mmol MnCl2·4H2O的50ml水溶液中加入1g PEG2000，剧烈搅拌直至得到均匀澄清的溶液；
——b向溶液中加入50ml含1.0mmol Na2WO4·2H2O水溶液；
——c将溶液转置入超声波粉碎机中超声半小时(设置为超声5秒，间歇15秒)，合成过程中利用冷却***将体系温度保持在323K以下；
——d将反应液高速离心得到沉淀，利用无水乙醇和去离子水反复清洗沉淀，在60℃下干燥4小时，可得钨酸锰样品。
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