[发明专利]一种铁掺杂的二氧化铈光催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

    本发明涉及一种铁掺杂二氧化铈光催化剂及其制备方法，该材料在光催化领域中应用广泛。本发明属于纳米科技领域。

技术背景

CeO₂属于萤石型氧化物，萤石型氧化物因CaF₂而得名。由于Ce具有独特的f电子构型，其化合物具有特殊的光、电、磁性质，被誉为新材料的宝库。CeO₂是一种廉价而用途极广的材料，广泛用于发光材料、催化剂、抛光粉、电子陶瓷、紫外吸收材料等。CeO₂作为N型半导体，其光吸收阈值约为420nm，高于目前最常用的半导体材料TiO₂的387nm。可见，CeO₂具有很好的光吸收能力。

纳米CeO₂的光催化机理是利用CeO₂在小于420nm的波长照射下，价带电子被激发跃迁到导带，从而产生具有很强反应活性的电子-空穴对，这些电子一空穴对迁移到CeO₂表面后，在氧化剂或还原剂作用下，可以参与氧化还原反应，从而起降解污染物、净化环境的作用。从纳米CeO₂的光催化机理可以得知，光催化反应的进行首先要激发源的能量等于或大于半导体禁带宽度的能量值。这样才能激发价带上的电子到导带，在价带上产生相应的空穴。太阳光是一种取之不尽，用之不竭的清洁能源。为了充分利用太阳能，各国学者都在做扩大CeO₂吸收波长范围的研究，于是纳米CeO₂各种改性方法也应运而生。

掺杂金属离子，会引起晶格的畸变，形成缺陷位，并对光催化材料的相转变温度、晶粒大小等产生影响，并且金属离子作为电子的有效接受体，可捕获导带中的电子．由于金属离子对电子的争夺，减少CeO₂表面光致电子与光致空穴的复合，从而使CeO₂产生更多的HO·和·O₂^-。提高催化剂的活性。因为金属离子既可能成为电子或空穴的陷阱而延长其寿命，也可能成为复合中心反而加快复合过程，所以掺杂剂浓度对反应活性也有很大的影响，存在一个最佳浓度值。掺杂浓度过低，空间电荷层的电势降太小不足以有效分离光生电子和空穴对；掺杂浓度过高，导致陷阱之间的平均距离降低，电子和空穴复合率变大，离子掺杂效果变差。已有文献报道的金属离子掺杂研究主要涉及的是过渡金属离子掺杂以及稀有金属离子掺杂。

以CeO₂为基体的光催化剂，国内外的研究也较广泛。纳米CuO/CeO₂复合物合成方法有螯合法、溶胶法、共沉淀法。Zhigang Liu等在纳米颗粒氧化铈的制备研究[J].矿冶, 2003, 12: 51-54 中报道通过螯合法制备出催化剂CuO-CeO₂。Mengfei Luo等人在W/O微乳液中CeO₂超细粒子的制备[J]. 化学通报, 1998, 12: 51 中报道采用溶胶法合成了高比表面的CuO-CeO₂催化剂。D.H Kim等人在Journal of Natural. Gas Chemistry, 2007, 16: 167–172 中报道采用共沉淀法合成制备出纳米CuO-CeO₂。

文献中报道的制备纳米 CeO₂-TiO₂的方法有:溶胶-凝胶法，模板合成法，浸渍法等。P. X. Huang等人在J. Phys. Chem. B, 2005, 109: 19169-19174 中报道使用NaBH₄还原HAuCl₄将纳米Au粒子负载在湿法制备的纳米CeO₂棒上，并研究了产物的光催化性。

Francisca Romero-Sarria等人在J. Phys. Chem. C, 2007, 111(39): 14469-14475 中报道通过在CeO₂的溶胶中加入金盐制备Au/CeO₂。

综上所述，目前的氧化铈基催化剂成本高、制备工艺复杂、在可见光区域内的催化效率低，本发明正是为了解决该问题而提出的。

目前尚无以碳酸钠作为沉淀剂，采用共沉淀法制备铁掺杂二氧化铈光催化剂。

发明内容