CN103263906A

CN103263906A - 一种纳米晶氧化锡光催化剂及其制备方法

Info

Publication number: CN103263906A
Application number: CN2013101827411A
Authority: CN
Inventors: 刘辉; 董晓楠; 周佳琪; 李军奇; 何选盟; 朱振峰
Original assignee: Shaanxi University of Science and Technology
Current assignee: Shaanxi University of Science and Technology
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2013-08-28

Abstract

本发明公开的一种纳米晶氧化锡光催化剂，氧化锡粉体的晶粒尺寸为10～20nm，氧化锡颗粒尺寸为200～300nm，氧化锡颗粒表面有棱柱。本发明纳米晶氧化锡光催化剂的制备方法，通过对氧化锡表面组成颗粒粒度大小和可控形貌的设计与优化，大大提高其对污染物的降解效率，解决了现有光催化剂应用范围窄，催化性能不好的问题。

Description

一种纳米晶氧化锡光催化剂及其制备方法

技术领域

本发明属于纳米材料和光催化技术领域，涉及一种半导体光催化剂，具体涉及一种纳米晶氧化锡光催化剂，本发明还涉及上述纳米晶氧化锡光催化剂的制备方法。

背景技术

纳米氧化锡由于尺寸小、比表面积大，因而表面原子比例高，悬挂的化学键多，增大了纳米材料的活性，而且大量悬键的存在使得界面极化，而高的比表面积造成多重散射，同时具有较低的制备温度和较高的化学稳定性，使其在陶瓷、透明导电、发光材料、平板显示器、太阳能电池、气敏传感器、催化剂等方面有广泛的应用。因此制备出纯度高、形貌均匀、晶粒细小、无团聚的氧化锡超细粉体一直是近年来研究的热点。

随着全球工业化的迅猛发展，环境污染问题越来越严重。治理污染，保护环境实现可持续发展已然成为全世界的共识，污染处理因此成为科研工作者的重要研究内容。半导体光催化具有降解速度快、降解完全、节能、可重复使用等优点，成为污染物处理领域引人注目的新技术。目前用作光催化剂的材料常见的有TiO₂，ZnO，SnO₂，WO₃，ZrO₂，Nb₂O₅，Fe₂O₃，SrTiO₃，BaTiO₃，CdO等氧化物，CuS，ZnS等硫化物，CdSe等硒化物以及SiC，GaP，GaAs。SnO₂纳米材料具有优良的光催化活性，但SnO₂带隙较宽（3.8eV），需要紫外光激发，因而限制了SnO₂的应用。为了得到可见光激发的光催化剂必须对其改性，包括晶体形貌控制、掺杂、表面敏化、复合材料等。最近的研究发现V形的小尺寸氧化锡晶体在可见光照射下显示出了较好的光催化性能。对光催化反应机理的研究，大多数人认为催化剂的粒度大小、晶型结构、表面形貌等是决定光催化活性的主要因素，所以制备不同形貌结构的纳米氧化锡及对其光催化性能的研究有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米晶氧化锡光催化剂，通过对氧化锡表面组成颗粒粒度大小和可控形貌的设计与优化，大大提高其对污染物的降解效率，解决了现有光催化剂应用范围窄，催化性能不好的问题。

本发明的另一目的是提供上述纳米晶氧化锡光催化剂的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，一种纳米晶氧化锡光催化剂，氧化锡粉体的晶粒尺寸为10～20nm，氧化锡颗粒尺寸为200～300nm，氧化锡颗粒表面有棱柱。

本发明所采用的另一技术方案是，一种纳米晶氧化锡光催化剂的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：称取氯化亚锡在磁力搅拌下溶于去离子水得到白色溶液；

步骤2：在步骤1所得的白色溶液中加入氢氧化钠，持续搅拌至溶液变为透明；

步骤3：将质量浓度为30%的双氧水缓慢滴加到步骤2所得的溶液中，搅拌；

步骤4：在步骤3所得的溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮，搅拌至充分溶解，得到聚乙烯吡咯烷酮溶液；

步骤5：将步骤4所得的溶液转移至带聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在160～200℃条件下微波水热30～90min，反应结束后自然冷却至室温，得到白色沉淀，收集沉淀产物并依次用去离子水、无水乙醇离心洗涤，置于真空干燥箱中60℃干燥12h，得到本发明纳米晶氧化锡光催化剂。

本发明的特点还在于，

其中的步骤1中白色溶液的质量-体积浓度为1：40g/mL～1：8g/mL。

其中的步骤2中白色溶液与氢氧化钠的质量比为1：40～4。

其中的步骤3中双氧水与溶液的体积比为1：20～2。

其中的步骤3中搅拌时间为2～10分钟。

其中的步骤4中聚乙烯吡咯烷酮溶液的质量-体积浓度为1：50g/mL～1：10g/mL。

本发明的有益效果是，

本发明使用的微波水热法是将传统水热法与微波场合二为一，同时兼具微波的热源性与水热法本身的优点，具有加热快速均匀、不存在温度梯度、加速化学反应等优点。

本发明中微波水热的温度是影响纳米晶氧化锡材料的结晶度和形貌的关键因素，不同温度得到的纳米晶氧化锡材料的结晶度和形貌不同。

本发明中微波水热的时间影响纳米晶氧化锡材料的分散性和形貌，过长的反应时间会导致纳米晶氧化锡材料的分散性和微观形貌受到影响。通过表面活性剂诱导的微波水热法，选取的结晶氯化亚锡（锡源）、氢氧化钠（碱源）、双氧水（氧化剂）、聚乙烯吡咯烷酮（表面活性剂）均价格低廉，制备出的纳米晶氧化锡光催化材料的形貌均一、尺寸较小、粒径分布均匀、单分散性良好。

附图说明

图1为本发明实施例2制备的纳米晶氧化锡光催化材料的X-射线衍射图谱；

图2为本发明实施例3制备的纳米晶氧化锡光催化材料的扫描电子显微镜照片，其中a是放大5000倍的扫描电子显微镜照片，b是放大20000的扫描电子显微镜照片；

图3为本发明实施例4制备的纳米晶氧化锡光催化材料的扫描电子显微镜照片，其中a是放大5000倍的扫描电子显微镜照片，b是放大20000的扫描电子显微镜照片；

图4为本发明实施例5制备的纳米晶氧化锡光催化材料的光催化罗丹明B降解曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明纳米晶氧化锡光催化剂，其特征为：氧化锡粉体的晶粒尺寸为10～20nm，颗粒尺寸为200～300nm，氧化锡颗粒表面有小棱柱，并且光催化降解罗丹明B实验表明：纳米晶氧化锡具有较高的光催化活性。

本发明纳米晶氧化锡光催化剂的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：称取氯化亚锡在磁力搅拌下溶于去离子水中形成白色溶液，得到的白色溶液的质量-体积浓度为1：40g/mL～1：8g/mL；

步骤2：在步骤1所得溶液中加入氢氧化钠并持续搅拌至溶液变为透明，白色溶液与氢氧化钠的质量比为1：40～1：4；

步骤3：将浓度为30%的双氧水缓慢滴加到步骤2所得的溶液中，搅拌2～10分钟；双氧水与溶液的体积比为1：20～1：2；

步骤4：在步骤3所得的溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮，搅拌使其充分溶解形成均匀溶液，得到的聚乙烯吡咯烷酮溶液的质量-体积浓度为1：50g/mL～1：10g/mL；

步骤5：将步骤4所得的溶液转移至100mL带聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在微波消解仪中160～200℃微波水热30～90min，反应结束后自然冷却至室温，得到白色沉淀，收集沉淀产物并依次用去离子水和无水乙醇离心洗涤，置于真空干燥箱中60℃干燥12h得到本发明纳米晶氧化锡光催化剂。

实施例1

称取氯化亚锡在磁力搅拌下溶于去离子水中形成白色溶液；得到的溶液的质量-体积浓度为1：40g/mL；在上述所得溶液中加入氢氧化钠并持续搅拌至溶液变为透明；白色溶液与氢氧化钠的质量比为1：4；将30%的双氧水缓慢滴加到上述所得的溶液中，搅拌10分钟；双氧水与溶液的体积比为1：10；在上述所得的溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮，搅拌使其充分溶解形成均匀溶液；得到的聚乙烯吡咯烷酮溶液的质量-体积浓度为1：50g/mL；将上述所得的溶液转移至100mL带聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在微波消解仪中160℃微波水热90min，反应结束后自然冷却至室温，得到白色沉淀，收集沉淀产物并用去离子水和无水乙醇离心洗涤，置于真空干燥箱中60℃干燥12h得到纳米晶氧化锡粉体。

实施例2

称取氯化亚锡在磁力搅拌下溶于去离子水中形成白色溶液；得到的溶液的质量-体积浓度为1：20g/mL；在上述所得溶液中加入氢氧化钠并持续搅拌至溶液变为透明；白色溶液与氢氧化钠的质量比为1：8；将30%的双氧水缓慢滴加到上述所得的溶液中，搅拌7分钟；双氧水与溶液的体积比为1：20；在上述所得的溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮，搅拌使其充分溶解形成均匀溶液；得到的聚乙烯吡咯烷酮溶液的质量-体积浓度为1：10g/mL；将上述所得的溶液转移至100mL带聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在微波消解仪中180℃微波水热30min，反应结束后自然冷却至室温，得到白色沉淀，收集沉淀产物并用去离子水和无水乙醇离心洗涤，置于真空干燥箱中60℃干燥12h得到纳米晶氧化锡粉体。图1为所制备的纳米晶氧化锡的X射线衍射（XRD）图谱，从图中可以看出，产物为四方金红石结构，结晶度较高，纯度较高。

实施例3

称取氯化亚锡在磁力搅拌下溶于去离子水中形成白色溶液；得到的溶液的质量-体积浓度为1：30g/mL；在上述所得溶液中加入氢氧化钠并持续搅拌至溶液变为透明；白色溶液与氢氧化钠的质量比为1：40；将30%的双氧水缓慢滴加到上述所得的溶液中，搅拌5分钟；双氧水与溶液的体积比为1：8；在上述所得的溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮，搅拌使其充分溶解形成均匀溶液；得到的聚乙烯吡咯烷酮溶液的质量-体积浓度为1：25g/mL；将上述所得的溶液转移至100mL带聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在微波消解仪中200℃微波水热60min，反应结束后自然冷却至室温，得到白色沉淀，收集沉淀产物并用去离子水和无水乙醇离心洗涤，置于真空干燥箱中60℃干燥12h得到纳米晶氧化锡粉体。图2为所制备的纳米晶氧化锡的扫描电镜照片，从图中可以看出，产物为球状，球状颗粒表面有截面为四方的小棱柱。

实施例4

称取氯化亚锡在磁力搅拌下溶于去离子水中形成白色溶液；得到的溶液的质量-体积浓度为1：8g/mL；在上述所得溶液中加入氢氧化钠并持续搅拌至溶液变为透明；白色溶液与氢氧化钠的质量比为1：10；将30%的双氧水缓慢滴加到上述所得的溶液中，搅拌8分钟；双氧水与溶液的体积比为1：2；在上述所得的溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮，搅拌使其充分溶解形成均匀溶液；得到的聚乙烯吡咯烷酮溶液的质量-体积浓度为2：25g/mL；将上述所得的溶液转移至100mL带聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在微波消解仪中185℃微波水热75min，反应结束后自然冷却至室温，得到白色沉淀，收集沉淀产物并用去离子水和无水乙醇离心洗涤，置于真空干燥箱中60℃干燥12h得到纳米晶氧化锡粉体。图3为所制备纳米晶氧化锡的扫描电镜照片，从图中可以看出，氧化锡粉体的形貌均一，晶粒尺寸较小约为18nm，颗粒尺寸约为200～300nm，单分散性良好。

实施例5

称取氯化亚锡在磁力搅拌下溶于去离子水中形成白色溶液；得到的溶液的质量-体积浓度为1：12g/mL；在上述所得溶液中加入氢氧化钠并持续搅拌至溶液变为透明；白色溶液与氢氧化钠的质量比为1：20；将30%的双氧水缓慢滴加到上述所得的溶液中，搅拌2分钟；双氧水与溶液的体积比为1：4；在上述所得的溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮，搅拌使其充分溶解形成均匀溶液；得到的聚乙烯吡咯烷酮溶液的质量-体积浓度为3：50g/mL；将上述所得的溶液转移至100mL带聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在微波消解仪中170℃微波水热80min，反应结束后自然冷却至室温，得到白色沉淀，收集沉淀产物并用去离子水和无水乙醇离心洗涤，置于真空干燥箱中60℃干燥12h得到纳米晶氧化锡粉体。图4为所制备纳米晶氧化锡粉体的光催化罗丹明B降解曲线，从降解曲线可以看出制备纳米晶氧化锡光催化材料对水体中的罗丹明B具有较高的降解效率。

本发明关键的参数范围是氯化亚锡溶液的质量-体积浓度、白色溶液与氢氧化钠的质量比以及聚乙烯吡咯烷酮溶液的质量-体积浓度；通过合理选择、调控参数范围可以有效地控制氯化亚锡的水解情况，从而制备具备可控形貌的纳米氧化锡粉体。大于或者小于这个参数范围会因源物质的缺失或饱和、体系pH的不当以及模板剂聚乙烯吡咯烷酮的不合理用量而导致可控形貌的纳米氧化锡的制备出现问题。

Claims

1.一种纳米晶氧化锡光催化剂，其特征在于，氧化锡粉体的晶粒尺寸为10～20nm，氧化锡颗粒尺寸为200～300nm，氧化锡颗粒表面有棱柱。

2.一种纳米晶氧化锡光催化剂的制备方法，其特征在于，制备得到的纳米晶氧化锡光催化剂，氧化锡粉体的晶粒尺寸为10～20nm，氧化锡颗粒尺寸为200～300nm，氧化锡颗粒表面有棱柱；

具体按照以下步骤实施：

3.根据权利要求2所述的纳米晶氧化锡光催化剂的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中白色溶液的质量-体积浓度为1：40g/mL～1：8g/mL。

4.根据权利要求2所述的纳米晶氧化锡光催化剂的制备方法，其特征在于，所述的步骤2中白色溶液与氢氧化钠的质量比为1：40～4。

5.根据权利要求2所述的纳米晶氧化锡光催化剂的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中双氧水与溶液的体积比为1：20～2。

6.根据权利要求2所述的纳米晶氧化锡光催化剂的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中搅拌时间为2～10分钟。

7.根据权利要求2所述的纳米晶氧化锡光催化剂的制备方法，其特征在于，所述的步骤4中聚乙烯吡咯烷酮溶液的质量-体积浓度为1：50g/mL～1：10g/mL。