[发明专利]暴露高能晶面二氧化铈光催化剂的制备

说明书

本发明涉及一种暴露高能晶面二氧化铈光催化剂的制备方法。本发明通过简单的水热合成方法，通过控制反应条件制备了纳米球形、纳米立方和纳米棒状等不同形貌和晶面暴露的CeO₂纳米材料。二氧化铈的制备过程包括如下步骤：分别将适量的铈盐和不同浓度的强碱溶于蒸馏水中配成溶液，在体系中加入适量的表面活性剂，常温搅拌后，将混合液转移到水热釜中反应，通过控制反应温度，获得不同形貌的产物。本发明操作简单、通过改变近似制备条件可以很好调控CeO₂纳米粒子的形貌及其高能晶面组成，对相关催化材料的应用具有重要意义。

技术领域

本发明涉及一种制备暴露高能晶面二氧化铈光催化剂的方法，并通过控制反应条件制备了不同形貌具有高能晶面的二氧化铈；本发明还研究了不同形貌和晶面暴露二氧化铈纳米材料的光催化降解有机污染物的性能。

背景技术

CeO₂作为一种常见的光催化半导体材料，近年来在环境催化领域受到了广泛关注。二氧化铈的化学性质非常特别，其外层电子充填方式为4f¹,5d¹,6s²。因此，铈除了像其它稀土元素以三价状态存在外，它还可以以正四价稳定存在。由于Ce³⁺/Ce⁴⁺之间的低氧化还原电位的特性，使其具有丰富的氧空位，被认为是一种很有前途的光催化剂。但由于光诱导的电子空穴对的快速重组和宽带隙(2.7-3.4eV)阻碍了其在光催化领域的应用。近期根据董江课题组对不同晶面的结构研究发现，在CeO₂暴露出的{100}和{110}的高能晶面上，Ce³⁺密度和表面的晶格氧缺陷要远高于普通的{111}晶面，高能晶面的催化速率为普通晶面的3～5倍，可以显著改善催化材料的氧化还原反应能力和催化性能，从而提高光催化剂的活性。

发明内容

本发明的目的是针对二氧化铈表面光催化活性较低的问题，提供一种暴露高能晶面二氧化铈光催化剂的制备方法，以增强二氧化铈的光催化活性，进而使其具有更强的氧化还原性和更高的催化效率。

一、暴露高能晶面二氧化铈光催化剂的制备

本发明水热法制备暴露高能晶面二氧化铈光催化剂的方法，是先将铈盐和强碱性溶液溶解在去离子水中搅拌0.5h；然后将两透明溶液混合后在室温下再搅拌0.5h；在混合液中加入重量百分比为0.1～1％的表面活性剂；然后将乳状混合液置于水热合成反应釜中，于不同温度下进行水热反应，抽滤，洗涤，干燥，得到不同形貌的CeO₂。

水热反应的温度为160～200℃、强碱溶液浓度为3～10mol/L、反应时间为12～24h，得到的产物为立方型CeO₂，记为C-C，其暴露的择优晶面为{100}。

水热反应的温度为100～120℃、强碱溶液浓度为0.1～0.5mol/L、反应时间为12～24h；得到的产物为纳米球型CeO₂，记为C-S，其暴露的择优晶面为{111}。

水热反应的温度为100～120℃、强碱溶液浓度为3～10mol/L、反应时间为12～24h；得到的产物为纳米棒型CeO₂，记为C-R，其暴露的择优晶面为{110}和{100}。

图1、2分别为不同形貌CeO₂的TEM图和XRD图。通过结合图1和图2的表征结果，可以很清楚的观察到不同形貌具有高能晶面的二氧化铈，图1A中，可以明显看到二氧化铈的立方体结构，其六个晶面都是{100}晶面；图1B中，可以很清楚的看到二氧化铈球，其择优晶面为{111}晶面；图1C中可以观察到二氧化铈的棒状结构，其晶面为{100}和{110}。通过图2中的XRD可知，与二氧化铈的标准图谱对比，说明C-C、C-P和C-S被成功制备出来。

二、不同形貌二氧化铈的光催化性能

1、光催化活性测试