一种双稀土元素La和Y掺杂TiO2光催化剂的制备方法 【技术领域】
本发明属于纳米光催化剂的制备及其应用，特别提出了一种双稀土元素La和Y掺杂TiO2光催化剂的制备方法。
背景技术
TiO2光催化技术由于其具有无毒、反应条件温和、氧化能力强等优点，在难降解有机污染物的处理方面受到了广泛的重视。人们对光催化做了大量的研究工作，但以下两个问题却成为限制光催化应用于工业化过程的瓶颈：一是光生电子和空穴容易复合，光催化量子效率低；二是TiO2的带隙能较宽，只能被波长较短的紫外光激发，太阳能利用率较低。故如何提高光催化效率以及拓展吸收光谱是光催化研究领域具的难题。为此人们使用各种手段对TiO2进行表面改性。
鉴于稀土氧化物具有多晶型、强吸附性、稳定性，且稀土元素的氧化物具有复杂的能带结构，当TiO2中加入适量的稀土可以有效的扩大光谱响应范围。近年来，有关稀土元素对TiO2进行掺杂改性的研究也取得了关键性进展，仍存在很大的研究空间。尤其是双稀土元素改性的研究很少。
【发明内容】
针对TiO2光催化剂的局限性，本发明制备了一种由双稀土元素掺杂的新型纳米TiO2光催化剂，并用于亚甲基蓝染料的光催化降解，有较高的光催化活性。催化剂易于制备、易于分离。
本发明采用溶胶-凝胶法制备稀土La和Y共掺杂纳米TiO2光催化剂(简称La-Y/TiO2)，并用染料亚甲基蓝溶液的降解来评价光催化剂的活性。
催化剂的制备：
一种双稀土元素La和Y掺杂的纳米TiO2光催化剂的制备方法，步骤如下：
1)称取硝酸镧和硝酸钇晶体，置于烧杯中，加入无水乙醇和水，用硝酸调节pH至2～3，搅拌至完全溶解，即制得A液；
2)量取钛酸四丁酯缓慢倒入无水乙醇中，加入冰醋酸作为抑制剂，磁力搅拌，即制得B液；
3)在磁力搅拌下，将A液以每秒1滴的速度滴入B液后再搅拌30min，静置陈化得到透明凝胶；
4)将凝胶在60℃恒温干燥箱干燥得到干凝胶，研磨成粉，最后置于马弗炉内焙烧，得到La和Y共掺杂TiO2纳米催化剂La-Y/TiO2；
各原料的质量份数比为：钛酸四丁酯∶硝酸镧∶硝酸钇＝34～42∶0.2165～0.433∶0.0957～0.3064；
钛酸四丁酯∶无水乙醇∶冰醋酸∶水(质量份数比)＝34～42∶53～78∶2.1～4.2∶7.2～8；
其中步骤3)的静置陈化时间为12～48小时。
其中步骤4)马弗炉内焙烧温度为：400℃～700℃；焙烧时间为：3～6h。
光催化活性的测试：
通过光催化降解染料亚甲基蓝来评价光催化活性。称取一定量催化剂，光源为100W的高压汞灯。亚甲基蓝水溶液初始浓度为20mg·L-1，每隔20min后取5～7mL的反应液，离心分离取上层清液，分光光度计测定其吸光度，测定波长为665nm。以溶液的脱色率D来评价光催化剂活性的高低，脱色率越高，催化剂活性越高。脱色率计算公式为：
D＝(A0-At)/A0×100％
D-脱色率；A0-未加催化剂时溶液的吸光度；At-光照tmin后溶液的吸光度。
本发明采用溶胶凝胶法制备了双稀土元素掺杂纳米TiO2光催化剂，并用亚甲基蓝溶液的降解实验测定其光催化活性。制备工艺简单，光催化降解速度明显高于P-25纳米TiO2。
【具体实施方式】
催化剂的制备
实施例1
称取0.2165g的硝酸镧和0.0957g硝酸钇晶体，置于烧杯中，加入26.5g无水乙醇和7.2g水，用硝酸调节pH至2～3，搅拌至完全溶解，即制得A液。量取34g的钛酸四丁酯缓慢倒入26.5g无水乙醇中，加入2.1g的冰醋酸作为抑制剂，磁力搅拌，即制得B液。在磁力搅拌下，将A液以每秒1滴的速度滴入B液后再搅拌30min，静置陈化24h后得透明凝胶。将凝胶在60℃恒温干燥箱干燥得干凝胶，研磨成粉，在600℃下焙烧4h，得到La和Y共掺杂TiO2纳米催化剂La-Y/TiO2，该催化剂记作a，催化剂为球形或类球形，晶型为锐钛矿相，颗粒平均粒径为50-70nm。
实施例2
称取0.3464g的硝酸镧和0.1914g硝酸钇晶体，置于烧杯中，加入34g无水乙醇和5g水，用硝酸调节pH至2～3，搅拌至完全溶解，即制得A液。量取39g的钛酸四丁酯缓慢倒入34g无水乙醇中，加入2.8g的冰醋酸作为抑制剂，磁力搅拌，即制得B液。在磁力搅拌下，将A液以每秒1滴的速度滴入B液后再搅拌30min，静置陈化36h后得透明凝胶。将凝胶在60℃恒温干燥箱干燥得干凝胶，研磨成粉，在700℃下焙烧3h，得到La和Y共掺杂TiO2纳米催化剂La-Y/TiO2，该催化剂记作b，催化剂晶型为锐钛矿相，平均粒径为50-70nm。
实施例3
称取0.433g的硝酸镧和0.3064g硝酸钇晶体，置于烧杯中，加入38g无水乙醇和8g水，用硝酸调节pH至2～3，搅拌至完全溶解，即制得A液。量取42g的钛酸四丁酯缓慢倒入38g无水乙醇中，加入4.2g的冰醋酸作为抑制剂，磁力搅拌，即制得B液。在磁力搅拌下，将A液以每秒1滴的速度滴入B液后再搅拌30min，静置陈化48h后得透明凝胶。将凝胶在60℃恒温干燥箱干燥得干凝胶，研磨成粉，在400℃下焙烧6h。得到La和Y共掺杂TiO2纳米催化剂La-Y/TiO2。该催化剂记作c，晶型为锐钛矿相。
2.光催化活性测试
实施例1
称取0.2g催化剂a，加入到初始浓度为20mg·L-1的亚甲基蓝水溶液中，用光源为100W的高压汞灯照射。每隔20min取5～7mL的反应液，离心分离取上层清液，用分光光度计测定其在665nm处的吸光度，光照60min后亚甲基蓝溶液的脱色率为98％，光照100min后亚甲基蓝溶液的脱色率为100％。相同条件下以P-25作催化剂，60min后亚甲基蓝溶液的脱色率为42％，100min后亚甲基蓝的脱色率为80％。
实施例2
称取0.2g催化剂b，加入到初始浓度为20mg·L-1的亚甲基蓝水溶液中，用光源为100W的高压汞灯照射。每隔20min取5～7mL的反应液，离心分离取上层清液，用分光光度计测定其在665nm处的吸光度，光照60min后亚甲基蓝溶液的脱色率为56％，光照120min后亚甲基蓝溶液的脱色率为99％。相同条件下以P-25作催化剂，60min后亚甲基蓝溶液的脱色率为42％，120min后亚甲基蓝的脱色率为90％。
实施例3
称取0.2g催化剂c，加入到初始浓度为20mg·L-1的亚甲基蓝水溶液中，用光源为100W地高压汞灯照射。每隔20min取5～7mL的反应液，离心分离取上层清液，用分光光度计测定其在665nm处的吸光度，光照60min后亚甲基蓝溶液的脱色率为58％，120min后亚甲基蓝溶液的脱色率为97％。相同条件下以P-25作催化剂，60min后亚甲基蓝溶液的脱色率为42％，120min后亚甲基蓝的脱色率为90％。
本发明并不局限于实施例中所描述的技术，它的描述是说明性的，并非限制性的。本发明的权限由权利要求所限定，基于本技术领域人员依据本发明所能够变化、重组等方法得到的与本发明相关的技术，都在本发明的保护范围之内。