[发明专利]微波加热法合成镍掺杂钒酸铟纳米晶光催化剂的方法及其在可见光下分解水的应用

说明书

技术领域

本发明属于功能无机纳米材料制备技术领域，涉及一种光催化剂的制备，尤其涉及微波加热法合成镍掺杂钒酸铟纳米晶光催化剂的方法及其在可见光下分解水的应用。

背景技术

在能源危机和环境问题双重压力下，发展新能源成为人类可持续发展的迫切需求。氢能因其燃烧值高，无污染的特点，成为21世纪最有可能替代化石燃料的新能源。光催化分解水制氢技术有效避免传统工业上采用的裂解化石能源制氢和电解水制氢方式耗能高、污染大等缺点，被认为是最为理想和最有前途的氢能开发途径。从太阳光谱组成看，紫外光区不足5%，而可见光区高达43%以上。因此，开发出可实际应用的可见光响应型半导体光解水制氢催化剂及构建光催化制氢体系是当前该技术领域中亟待解决的关键科学问题。

从未来的实际应用前景来看，稳定性高的可见光响应氧化物分解水制氢光催化剂更具有前途。但其中绝大部分为通过高温固相反应获得的体相材料，比表面积很低，是导致该类材料产氢效率一直不高的主要原因。钒酸铟是一种窄带氧化物半导体光催化剂，其能带间隙在2.0eV左右，具有良好的可见光活性。然而，由于量子尺寸效应，具有大比表面积的小尺寸的钒酸铟纳米光催化剂往往具有较差的可见光活性。过渡金属元素掺杂是一种有效的光催化剂改性手段，Ni原子尺寸与In原子尺寸相当，容易发生替换。通过引入杂质能级，镍掺杂后的钒酸铟纳米晶光催化剂的可见光活性大大增强，是一种较好的可见光分解水光催化剂。同时，所制得的镍掺杂钒酸铟的尺寸为20纳米，具有超小的尺寸和巨大的比表面积，提供了大量的反应活性位点，可充分与反应底物接触，增加光生电荷的反应机会，从而提高光催化分解水的效率。

发明内容

本发明的目的是通过引入掺杂过渡金属元素杂质，以增强钒酸铟纳米晶光催化剂的可见光活性，提高可见光下分解水的产氢速率。

一种微波加热法合成镍掺杂钒酸铟纳米晶光催化剂的方法，包括配制前驱液，然后置于微波反应器内反应，并经离心洗涤干燥而成，所述的配制前驱液，是将可溶性铟盐和镍盐分别溶解成水溶液，量取铟盐和镍盐水溶液到去离子水中，在搅拌下加入偏钒酸盐固体颗粒，用稀硝酸将pH值调节至2~3之间，形成橙黄色悬浊液，继续搅拌30min，直至将悬浊液搅拌成淡黄色乳浊液，其中铟盐：镍盐：偏钒酸盐的摩尔比为1:0~1:1，镍盐的摩尔数不为0；较优的，铟盐：镍盐：偏钒酸盐的摩尔比为1:0~0.2:1，镍盐的摩尔数不为0。

本发明所述的可溶性铟盐为硝酸铟或氯化铟，所述的可溶性镍盐为硝酸镍或氯化镍，所述的偏钒酸盐为偏钒酸铵或偏钒酸钠。

本发明所述的置于微波反应器内反应是将所配制的前驱液移入烧瓶中，放置于微波反应器内搅拌，以600~1000W功率90~110℃微波加热4~8h，加热过程中恒定搅拌速度为2000rpm，制得黄色产物；较优的，以800W功率100℃微波加热5h，加热过程中恒定搅拌速度为2000rpm。

本发明所述的离心洗涤并干燥是将制得的黄色产物取出自然冷却，撇去上层清液后离心，去离子水洗涤三次后并放入真空干燥箱中50~80℃烘干后即得。

根据本发明所公开的方法制得的镍掺杂钒酸铟（Ni-InVO₄）纳米晶光催化剂，该催化剂为20nm左右的纳米晶颗粒，带隙能为2~3.5eV。

按照本发明所述的制备方法得到的镍掺杂钒酸铟（Ni-InVO₄）纳米晶光催化剂，在可见光下可应用于分解水。

未经掺杂镍的钒酸铟（InVO₄）纳米晶光催化剂的合成方法见具体实施方式中的空白试验，以便作为试验对比。

光解水活性实验：

在CEL-SPH2N光解水系统（购自北京中教金源科技有限公司）中进行，可见光照射（500W氙灯，加420nm滤光片），将200mL 0.5M硝酸银溶液加入反应器中，然后加入50 mg光催化剂，磁力搅拌以保持催化剂处于悬浮或漂浮状态，光照过程中间隔30min取样分析，用F2000气相色谱仪对产生氧气浓度行测试，从而计算出光解水产氧的反应速率。

本发明中所用的硝酸镍，氯化镍，硝酸铟，氯化铟，硝酸银，偏钒酸铵，偏钒酸钠均为分析纯，购于国药化学试剂有限公司。

有益效果