[发明专利]一种活性炭负载钙钛矿结构的钛酸钙纳米材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机非金属材料领域，具体涉及一种活性炭负载钙钛矿结构的钛酸钙纳米材料的制备方法。

背景技术

钙钛矿结构氧化物是具有通式为ABO₃的独特晶体结构氧化物，A一般为稀土或碱土元素，B为第三周期过渡金属元素。因其具有良好的光催化、电催化性能，且电导率高、价格低廉，被广泛应用在染料敏化太阳能电池(DSSC)，锂离子电池，固体燃料电池、传感器及替代贵金属的氧电极电催化剂材料等诸多领域，在化学、物理和材料领域成为研究热点。

钙钛矿结构氧化物的制备方法主要有共沉淀法、固相法、溶胶-凝胶法、水热合成法及微乳液法等。其中，共沉淀法虽成本低、操作简单，但其制备步骤多、颗粒易团聚、比表面积低；固相法具有设备和操作简便的优点，但由于不同固体颗粒混合不均匀，制备出的钙钛矿型氧化物的颗粒较大、比表面积较小；溶胶-凝胶法合成温度低，产物纯度高、比表面积大、分散性好，但该法具有工艺不易控制、工艺条件苛刻、成本高等缺点；水热合成法工艺简单，克服了颗粒硬团聚的缺点，但反应不完全、过程不易控制、对设备要求高；微乳液法制备的产物粒径小，分布均匀，但生产成本高，不利于规模生产。

发明内容

本发明提供了一种活性炭负载钙钛矿结构的钛酸钙纳米材料的制备方法，该方法克服了以上各种制备方法的缺点。该方法设备和操作简单，成本低，制备得到的钙钛矿型氧化物具有粒径小、颗粒高度分散、比表面积大的优点。

本发明的技术方案如下：

一种活性炭负载钙钛矿结构的钛酸钙纳米材料的制备方法，其特征在于，该方法包含：

步骤1，炭化料载体：氢氧化钾：碳酸钾：B位元素按一定比例混合溶于水，置于烧杯中，静置5～10h，使其充分浸润，然后在磁力搅拌机上常温持续搅拌5～12h，使B金属元素均匀负载在活性炭上，同时使活性炭达到初步化学刻蚀；

步骤2，将步骤1得到的混合物在100℃干燥12h，得到的产物研磨均匀，该产物为炭化料均匀负载B元素的混合物；

步骤3，在氮气保护条件下，对步骤2所得的粉末产物进行化学活化焙烧热处理，温度为600～900℃，保持2h，然后自然降温到室温；

步骤4，对步骤3得到的产物进行清洗和干燥处理，即可得到具有高比表面积的多级孔生物质活性炭，且活性炭框架上含有高度分散的具有钙钛矿结构的钛酸钙纳米颗粒。

上述方法中，所述的载体为白蜡树叶、松针、甘蔗渣和玉米芯等不同生物质碳源经温度为500℃，保持2h的炭化处理，得到的炭化料。

上述方法中，所述的炭化料载体需进行预处理：先采用1mol/L的盐酸溶液酸洗10h，目的是减少炭化料中的杂元素的量，再用去离子水清洗，然后100℃烘干，研磨得到所需炭化料。

上述方法中，所述的钙钛矿型结构氧化物为ABO₃，其中A位元素为Ca，来源于酸洗工艺后生物质炭化料自身含有的Ca元素，无需外加钙的氧化物或钙盐，B位元素为Ti元素，源自钛的氧化物。

上述方法中，所述的炭化料载体：氢氧化钾：碳酸钾：B位元素按质量比为1∶1∶2∶0.02～ 0.1的比例配置。

上述方法中，所述的焙烧热处理过程作用一是使炭化料进一步化学活化得到具有高比表面积的多级孔生物质活性炭，作用二是使炭化料上自身大量分布的Ca元素和前期负载上的B 位金属元素作用形成钙钛矿结构氧化物纳米颗粒，二者同时进行，得到的具有钙钛矿结构的钛酸钙纳米颗粒粒径小，且在活性炭框架上得到高度均匀分布。

本发明具有以下优点：

1、本发明采用的生物质炭化料载体具有环境友好、来源广泛、成本低廉，活化后制得的多级孔道活性炭具有比表面积大、吸附能力强等优点，有利于钙钛矿结构氧化物纳米颗粒的大量均匀的负载。

2、本发明中的生物质炭化料具有含多种大量杂元素的特性，如K、Ca、Mg、Fe、S、P、 N等，其中主要以Ca为主，经1mol/L盐酸清洗后减少了杂元素的量，但Ca元素含量还较多，本发明中ABO₃钙钛矿结构氧化物中的A位元素源自酸洗工艺后生物质炭化料自身含有的Ca 元素，无需外加钙的氧化物或钙盐，达到了节省材料，降低成本，工艺简化的目的。