CN103691421B - 一种CeVO4微米球光催化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CeVO4微米球光催化剂及其制备方法，属于纳微米材料的制备领域。其步骤为：将摩尔比为1：1的Ce(NO3)3·6H2O和NH4VO3溶于去离子水，形成溶液A；称取EDTA溶于去离子水中，形成溶液B，其中：Ce(NO3)3·6H2O和EDTA的摩尔比为1：1；将溶液B倒入到溶液A中，二者混合，并进行磁力搅拌；将经过搅拌后的溶液装入不锈钢反应釜中，将反应釜放入烘箱内，加热到180℃，并保温反应6～24小时；将水热后的产物随炉冷却后，先后用去离子水和乙醇清洗，然后干燥。本发明的CeVO4微米球为四方单晶，空间群为：141/amd[141]；且该CeVO4微米球为球形，其直径为2～4μm，球壁为100nm。本发明的制备方法简单，粒径分布均匀。
Description
技术领域
本发明涉及纳微米材料的制备领域，更具体地说，涉及一种CeVO4微米球光催化剂及其制备方法。
背景技术
新型无机非金属纳米材料由于具有独特物理性质和化学性质是近年来研究的热点。正方晶相的钒酸铈(CeVO4，以下简称CVO)作为一种复合金属氧化物，具独特的光学、电学、磁学及氧化还原性质，被广泛应用于光电、催化、生物学等领域。例如作为传统的荧光粉广泛应用于偏振器、电致发光装置和主激光材料，催化氧化丙烷脱氢为丙烯，可作为组成固体氧化物燃料电池阳极的元件等。另外有报道其禁带宽度为2.7eV左右，可作为光催化剂在可见光照射下催化降解染料和有机物。
合成CVO纳米材料的方法通常包括液相合成技术、气相沉积(CVD)、微波合成技术和传统固相烧结法等。相对于气相和固相方法，液相法具有方法简单、节能环保、温度较低等优点，目前被广泛使用。液相制备方法包括水热溶剂热法、溶胶-凝胶法、低温熔盐法、自蔓延燃烧法、共沉淀法、超声合成和多元醇法等。
文献1（NuengruethaiEkthammathat,TitipunThongtem,AnukornPhuruangrat,andSomchaiThongtem,JournalofNanomaterials,2013,7,1-7）NuengruethaiEkthammathat等用Ce(NO3)3·6H2O和NH4VO3为原料，用HCl和NaOH调节溶液的不同pH值，微波反应180W，120min制得花状和杆状的CVO。
文献2（HongDeng,ChenminLiu,ShiheYang,SiXiao,Zhang-KaiZhou,andQu-QuanWang,CrystalGrowth＆Design,2008,8,12,4432-4439）HongDeng等用Ce(NO3)3·6H2O、Na3VO4和EDTA为原料，用氨水调节溶液的不同pH值，在反应釜中加热到180℃，反应24h，根据反应物的配比不同制得了CVO纳米杆、纳米线和草束状、花状的CVO纳米晶。
文献3（CuicuiYu,MinYu,ChunxiaLi,CuimiaoZhang,PiaopingYang,andJunLin,CrystalGrowth＆Design,2009,9,2,783-791）CuicuiYu等用Ce(NO3)3·6H2O、NH4VO3和稀HNO3为原料，用氨水调节溶液的不同pH值，超声反应1h，制得了纺锤形的CVO纳米晶。
文献1中采用HCl和NaOH调节溶液的不同pH值，文献2和文献3中均采用氨水调节溶液的不同pH值，使整个反应体系呈现弱碱性。申请人实验发现，pH对晶体生长的形貌作用很大，文献1得到的是花状和杆状的CVO，文献2得到的是CVO纳米杆、纳米线和草束状、花状的CVO纳米晶，文献3得到的是纺锤形的CVO纳米晶，均未成功获得三维的球状晶体。此外，文献2中采用Na3VO4做钒源，相对价格昂贵，而且也没有得到三维的球状晶体。
文献4（HongDeng,ShiheYang,SiXiao,Hong-MeiGong,andQu-QuanWang,J.AM.CHEM.SOC.2008,130,2032-2040）HongDeng等用Ce(NO3)3·6H2O、Na3VO4、NaOH、十八烯和油酸、油胺为原料，经过前期处理后，在反应釜中加热180℃，反应24h，制得了方块形的CVO纳米晶，其直径约为40nm。
文献5（Thanh-DinhNguyen,Cao-ThangDinh,andTrong-OnDo,Langmuir,2009,25(18),11142–11148）Thanh-DinhNguyen等用Ce(NO3)3·6H2O、甲苯、乙酸、油酸钾为原料在70℃下搅拌反应1h，制得Ce(OA)3复合物，用V2O5、NaOH、TOABr、甲苯为原料混合制得VO4(TOA)3复合物，再将二者混合，加入油胺，在反应釜中加热180℃，反应16h，制得了直径为15nm的CVO纳米晶。
文献1～文献5分别通过不同的方法制备得到了CeVO4纳微米材料，但这些方法仍然存在工艺复杂、环境污染、有机物量大、颗粒不均匀等诸多问题和不足。综上所述，现有文献报道制备的CeVO4晶体多为普通纳米晶和一维纳米线或纳米杆，极少的三维球状结构的也要水热合成后高温煅烧，而且合成的颗粒粒径分布不均匀，性能较差。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有技术中无法通过合适的方法制备得到粒径分布均匀，且为三维球状结构的CeVO4微米球的问题，提供了一种CeVO4微米球光催化剂及其制备方法，采用本发明的技术方案，工艺简单、便于产业化生产，且制备的产物具有比表面积大、粒径分布均匀、结晶度高等特点。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种CeVO4微米球光催化剂，该CeVO4微米球光催化剂具有如下性质：（1）、该CeVO4微米球为四方单晶，空间群为：141/amd[141]；（2）、该CeVO4微米球为球形，其直径为2～4μm，球壁为100nm。
本发明的一种CeVO4微米球光催化剂的制备方法，其步骤如下：
步骤一、将摩尔比为1：1的Ce(NO3)3·6H2O和NH4VO3溶于去离子水，搅拌至全部溶解，形成溶液A；
步骤二、称取EDTA，其中：Ce(NO3)3·6H2O和EDTA的摩尔比为1：1，将EDTA溶于去离子水中，且搅拌至全部溶解，形成溶液B；
步骤三、将步骤二得到的溶液B倒入到步骤一得到的溶液A中，二者混合，并进行磁力搅拌；
步骤四、将经过步骤三搅拌后的溶液装入具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，加去离子水使得溶液体积至反应釜容积的70%～80%，将上述的反应釜放入烘箱内，加热到180℃，并保温反应6～24小时；
步骤五、将步骤四水热后的产物随炉冷却后，先后用去离子水和乙醇清洗，然后干燥即得CeVO4微米球光催化剂。
本发明的一种CeVO4微米球光催化剂的制备方法，步骤三中磁力搅拌的温度为室温，搅拌时间为0.5～1小时。
本发明的一种CeVO4微米球光催化剂的制备方法，步骤五中干燥温度为60～80℃，干燥时间为5～6小时。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
（1）本发明的一种CeVO4微米球光催化剂的制备方法，其原料采用Ce(NO3)3·6H2O、NH4VO3和EDTA，采用简单温和、环境友好的水热方法，利用EDTA为配位剂和模板导向剂，并且和NH4VO3中的NH4 +共同控制整个反应体系的pH值呈弱酸性，温和的反应体系为纳微米材料的生长提供了合适的环境，通过控制EDTA的加入量从而控制所得产物形貌为直径为2～4μm的球形CeVO4微米球，且粒径分布均匀。但是，现有文献报道制备的CeVO4晶体多为普通纳米晶和一维纳米线或纳米杆，极少的三维球状结构的也要水热合成后高温煅烧且其粒径分布还不均匀，本发明通过控制Ce(NO3)3·6H2O、NH4VO3和EDTA的摩尔比为1：1：1，成功实现了在低温的条件下得到三维形貌的球形CeVO4晶体，球壁较薄，直径约为2～4μm，为结晶完好的单晶，这是现有技术中尚未有文献报道。本发明的CeVO4微米球光催化剂，由于其空心球型结构材料具有比表面积大、密度低、稳定性好等特点，而光催化剂的光催化活性与催化剂的结晶度、尺寸、形貌等因素有密切关系，光催化性能测试实验证实本发明CeVO4微米球与一维结构CeVO4材料相比，有良好的光催化性能。实验证实：合成的CeVO4微米球的禁带宽度为2.73eV，在可见光范围内有响应，对染料罗丹明B在模拟可见光照射4小时后的降解率可达96.15%。
（2）本发明的一种CeVO4微米球光催化剂的制备方法，以EDTA作为配位剂和模板导向剂，绿色环保，易于控制，避免使用毒性大、危险性大的有机溶剂和配位剂；反应过程无需添加表面活性剂或其他任何有机物，实验工艺路线简单、操作便利、环境友好。
附图说明
图1是本发明一种CeVO4微米球光催化剂的制备方法的流程示意图。
图2是实施例1制备的CeVO4微米球的XRD谱图。
图3是实施例1制备的CeVO4微米球的SEM图。
图4是实施例1制备的CeVO4微米球的TEM图。
图5是实施例1制备的CeVO4微米球的HRTEM图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
结合图1，本实施例的一种CeVO4微米球光催化剂的制备方法，其步骤如下：
步骤一、将摩尔比为1：1的Ce(NO3)3·6H2O和NH4VO3溶于20mL去离子水，本实施例中Ce(NO3)3·6H2O和NH4VO3称取各5mmol，搅拌至全部溶解，形成无色溶液A；
步骤二、称取EDTA5mmol，将EDTA溶于20mL去离子水中，且搅拌至全部溶解，形成无色溶液B，本实施例中Ce(NO3)3·6H2O、NH4VO3和EDTA的摩尔比为1：1：1；
步骤三、将步骤二得到的溶液B倒入到步骤一得到的溶液A中，二者混合，并进行磁力搅拌，磁力搅拌的温度为室温，搅拌时间为0.5～1小时均可，本实施例中搅拌时间为0.7小时，使反应物混合均匀；
步骤四、将经过步骤三搅拌后的溶液装入具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，加去离子水使得溶液体积至反应釜容积的70%～80%，将上述的反应釜放入烘箱内，加热到180℃，并保温反应6～24小时均可，本实施例中保温反应12小时；
步骤五、将步骤四水热后的产物随炉冷却后，先后用去离子水和乙醇清洗，除去产物附着的有机溶剂和杂质离子，然后干燥即得红棕色的CeVO4微米球光催化剂。本发明中干燥温度为60～80℃，干燥时间为5～6小时，具体在本实施例中干燥温度为70℃，干燥时间为5小时。
采用本实施例的方法制备得到的CeVO4微米球光催化剂具有如下性质：（1）、该CeVO4微米球为四方单晶，空间群为：141/amd[141]；（2）、该CeVO4微米球为球形，其直径为2～4μm，球壁为100nm。图2为本实施例所制备CeVO4纳米晶的XRD谱图，图中所有衍射峰都可以指标为立方相CeVO4的标准粉末衍射数据[参见JointCommitteeonPowderDiffractionStandards(JCPDS),FileNo.12-0757]，未发现任何杂质的衍射峰。图3、图4、图5为本实施例所制备CeVO4微米球的SEM图、TEM图和HRTEM图，可发现制得的CeVO4微米晶为球形，直径约2～4μm。HRTEM图所得晶面间距为0.260nm，对应于所指标CeVO4的（220）晶面。
对比例1
本对比例的为一种CeVO4纳微米材料的制备方法，其步骤同实施例1，不同之处在于：本对比例中步骤二中称取EDTA的量0mmol，经试验发现最终得到的CeVO4粉体的形貌为不规则块状与短棒的混合物。
对比例2
本对比例的为一种CeVO4纳微米材料的制备方法，其步骤同实施例1，不同之处在于：本对比例中步骤二称取EDTA的量2.5mmol，Ce(NO3)3·6H2O、NH4VO3和EDTA的摩尔比为1：1：0.5，经试验发现最终得到的CeVO4粉体的形貌为不规则的球形，直径为2～6μm，还有不规则的块状团聚物。
对比例3
本对比例的为一种CeVO4纳微米材料的制备方法，其步骤同实施例1，不同之处在于：本对比例中步骤二称取EDTA的量7.5mmol，Ce(NO3)3·6H2O、NH4VO3和EDTA的摩尔比为1：1：1.5，经试验发现最终得到的CeVO4粉体的形貌为不规则的球形和球形团聚物。
对比例4
本对比例的为一种CeVO4纳微米材料的制备方法，其步骤同实施例1，不同之处在于：本对比例中步骤二称取EDTA的量10mmol，Ce(NO3)3·6H2O、NH4VO3和EDTA的摩尔比为1：1：2，经试验发现最终得到的CeVO4粉体的形貌为为不规则的球形，直径约为1～2μm，球壁较厚，团聚更加严重。
根据对比例1～4和实施例1可知，为了获得形貌均匀的球形CeVO4微米晶，其关键就是选择EDTA作为配位剂和模板导向剂，且控制Ce(NO3)3·6H2O、NH4VO3和EDTA的摩尔比，这是本发明突出的改进点，虽然背景技术中文献1中采用了EDTA作为原料，但是文献1中采用氨水调节溶液的pH值导致无法获得三维球形结构的CeVO4粉体。除了本发明的技术方案，均无法得到形貌均匀的球形CeVO4微米晶。
Claims (1)
1.一种CeVO4微米球光催化剂，其特征在于，该CeVO4微米球光催化剂具有如下性质：
(1)、该CeVO4微米球为四方单晶，空间群为：141/amd[141]；
(2)、该CeVO4微米球为球形，其直径为2～4μm，球壁为100nm；
该CeVO4微米球的禁带宽度为2.73eV，在可见光范围内有响应，对染料罗丹明B在模拟可见光照射4小时后的降解率可达96.15％；其步骤如下：
步骤一、将摩尔比为1：1的Ce(NO3)3·6H2O和NH4VO3溶于去离子水，搅拌至全部溶解，形成溶液A；
步骤二、称取EDTA，其中：Ce(NO3)3·6H2O和EDTA的摩尔比为1：1，将EDTA溶于去离子水中，且搅拌至全部溶解，形成溶液B；
步骤三、将步骤二得到的溶液B倒入到步骤一得到的溶液A中，二者混合，并进行磁力搅拌；
步骤四、将经过步骤三搅拌后的溶液装入具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，加去离子水使得溶液体积至反应釜容积的70％～80％，将上述的反应釜放入烘箱内，加热到180℃，并保温反应6～24小时；
步骤五、将步骤四水热后的产物随炉冷却后，先后用去离子水和乙醇清洗，然后干燥即得CeVO4微米球光催化剂。
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