[发明专利]一种蛭石表面原位生长铌酸钾材料及其制备方法

说明书

技术领域:

本发明涉及一种光催化降解材料及其制备方法，具体涉及铌酸钾/蛭石材料及其制备方法。

背景技术：

随着全球工业化进程的快速发展，在印染业、造纸业等产生的大量含有有机污染物的废水被直接排入到自然环境中，引发了一系列严峻的环境污染问题。一般来说，这些有机污染物，比如染料等，都是难以自然降解的。因而，可以采用半导体材料作为光催化剂去消除这些水体中难以去除的污染物质。为了解决这一环境污染问题，人们进行了大量的研究去合成新型的半导体为基础的光催化剂。在这些被研究的光催化剂中，钙钛矿型氧化物因其在电、磁、光等方面都具有优异的性能，而备受人们的关注。钙钛矿型氧化物有一般公式ABO₃(阳离子A比B具有更大的尺寸)。到目前为止，已经有关于以铌酸钾为基础的光催化材料的大量报道。在文献Nanoscale,2011,3,5161里，Lan等人合成了一种金纳米颗粒负载的一维铌酸钾纳米线材料，它在紫外光和可见光下的光催化性能都得到了大幅度的提高。在文献Chemical Engineering Journal 226(2013)123–130里，Wang等人合成了一种掺杂氮元素的铌酸钾纳米块，提高了其光解水和光降解染料的能力。然而，在仅利用铌酸钾粉体进行光催化降解的过程中仍存在有一些亟待解决的问题。其缺点是:细小的铌酸钾颗粒在悬浮液中很容易团聚，会使得光催化材料在光反应过程中的有效表面积和光催化效率急剧减弱。此外，这种光催化粉体材料在储存，回收和循环使用方面的高成本限制了其实际应用。特别是在反应完成后，将铌酸钾粉体从污水中有效地进行分离，仍是一个难题。

目前，考虑到介孔材料具有大的表面积，可控孔径大小和较小的孔径大小分布等特点，人们逐渐关注于将催化剂粉体负载到其上，以期解决上述分离和回收的难题。在目前已知的一些常见的介孔材料中，蛭石以其大的表面积、优异的吸收特性、热稳定性好和可再生，成为光催化剂负载的最佳选择。

蛭石的化学式为Mg_x(H₂O){Mg_3-x[AlSiO₃O₁₀](OH)₂}，是一种重要的非金属矿物，它是一种层状结构的含镁的水铝硅酸盐次生变质矿物，属层状硅酸盐，价廉易得。在蛭石的四面体结构中，Al代替Si或Fe³⁺代替Si，使得层板上产生层电荷，并且带负电，能吸附阳离子。对于催化剂所需的载体材料而言，从其分离和回收的角度来说，所选择的载体具有优良的吸附性能和热稳定性则显得尤为重要。以蛭石为载体，一方面可实现铌酸钾的固载，有效防止铌酸钾团聚；另一方面，增强蛭石对有机污染物的吸附，使有机污染物聚集至铌酸钾的周围，大大提高其光催化降解速率。

在文献Dalton Trans,2014,43,9296里，Zhang等人合成了一种蛭石上负载硫化镉量子点的新型光催化材料，它在光解水制氢方面有着较好的应用。受该文献启发，发现将铌酸钾固定在蛭石上，可以使铌酸钾的光催化性能得以更好体现。

发明内容：

本发明的目的是提供一种蛭石表面原位生长铌酸钾材料及其制备方法，该材料可用作光催化材料。

本发明提供的蛭石表面原位生长铌酸钾材料：是以蛭石为基体，活性组份铌酸钾生长于层状蛭石表面，表示为KNbO₃/VMT，其中VMT代表蛭石。铌酸钾以一维针状结构原位生长于二维层状蛭石的内外层表面，构成了三维结构的KNbO₃/VMT材料。

本发明提供的蛭石表面原位生长铌酸钾材料的制备方法，具体步骤如下：

在反应容器中，加入浓度为7～35mol/L的氢氧化钾溶液，约占容器一半体积，再按氢氧化钾与蛭石的质量比为40～50:1加入处理后的蛭石，然后按氢氧化钾与Nb⁵⁺的摩尔比为45:1～55:1加入铌源，室温下搅拌30分钟；密封反应容器，于120℃～180℃温度下恒温反应12～18小时，待溶液冷却后取出反应容器底部块状产物，用去离子水冲洗干净，烘干，得到KNbO₃/VMT结构化材料。

所述的蛭石是平均尺寸为1～3mm的块状金黄色蛭石、银白色蛭石、乳白色蛭石；所述的处理后的蛭石是将蛭石用乙醇溶液浸泡10～15小时，用去离子水冲洗干净。所述的铌源是五氯化铌或三氯化铌。