[发明专利]稀土元素掺杂提高钛酸钡纳米颗粒光催化二氧化碳还原性能的方法及应用

说明书

本发明公开了一种通过掺杂稀土元素提高碳酸钡纳米颗粒光催化二氧化碳还原性能的方法及应用。通过一步水热法制备了钛酸钡纳米颗粒：以硝酸钡作为钡源，分别加入不同种类的稀土元素，将其溶解至乙酸溶液中；以锐钛矿相二氧化钛作为钛源，与乙醇混合；将两种溶液充分混合后，经过水热反应得到钛酸钡纳米颗粒。在光催化二氧化碳还原反应中，掺杂稀土元素的样品与原始的钛酸钡纳米颗粒相比，呈现更高的还原性和更好的稳定性，且吸附二氧化碳的能力更强，能有效地实现二氧化碳气体转化。

技术领域

本发明属于光催化二氧化碳还原领域，具体涉及一种稀土元素掺杂提高钛酸钡纳米颗粒光催化二氧化碳还原性能的方法及应用。

背景技术

近年来，随着工业的迅速发展以及化石燃料的燃烧，大量的二氧化碳排放对生态环境造成了严重威胁。如何将燃烧产物二氧化碳转化为可供人类利用的清洁能源成为科研人员最为关注的问题之一。二氧化碳的转化目前以光催化、电催化、热催化为主，其中光催化二氧化碳还原消耗的能量最低，因此备受研究者的青睐。对于光催化二氧化碳还原技术，开发一种效率高、稳定性高且产物可控的光催化剂是实现高效二氧化碳转化的关键步骤。

钛酸钡(BaTiO₃)是一种氧化物钙钛矿，因为其拥有良好的压电性能，且制备工艺简单，制备成本低等优点，被广泛应用于光催化领域。但BaTiO₃仍存在着光催化剂共有的问题：活化能势垒高、载流子重组快以及对光利用不足等缺点。掺杂可以使材料具有特定的物理化学性质，适量的掺杂稀土元素可以能减小基质材料的晶粒体积，提供更多的反应活性位点，同时调节基质材料的能带结构，最终提高二氧化碳还原的转化率。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够呈现出更高的还原性和更好的稳定性，且吸附二氧化碳的能力更强，能有效地实现二氧化碳气体转化的稀土元素掺杂提高钛酸钡纳米颗粒光催化二氧化碳还原性能的方法及应用。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

1)取12.5ml的摩尔浓度为0.5～3.0mol·L^-1的乙酸溶液向其中加入3.0mmol的硝酸钡得到溶液A；分别向溶液A中加入六水合氯化镧4.5～6.0mg，六水合氯化钆4.5～6.0mg，六水合氯化钐4.5～6.0mg，六水合氯化铈2.5～3.0mg，六水合氯化铕2.5～3.5mg得到五种掺杂溶液分别记为六水合氯化镧为溶液A1，六水合氯化钆为溶液A2，六水合氯化钐为溶液A3，六水合氯化铈为溶液A4，六水合氯化铕为溶液A5；

2)取10.0mL的无水乙醇向其中加入1.8-2.2mmol二氧化钛混合得到溶液B；

3)将步骤1)中的五种溶液分别与步骤2)中的B溶液混合搅拌均匀；

4)在混合溶液中分别加入10.0～25.0mmol的矿化剂氢氧化钠并搅拌均匀，得到五种溶液C；

5)将五种溶液C分别放入反应釜中在160～220℃反应并随炉冷却，将沉淀物用去离子水清洗至中性，并放入烘箱内干燥；

6)将步骤5)中干燥后的五种沉淀物用盐酸浸泡后洗涤至中性并烘干；

7)将步骤6)中的五种样品分别放入马弗炉中于500～900℃煅烧后得到表面处理后的五种掺杂的BaTiO₃纳米颗粒。

步骤5中反应时间为24～48小时。

步骤6中盐酸的浓度为0.5～3.0mol·L^-1，浸泡时间为0.5～3.0小时。

步骤7煅烧时间为2～10小时。

按以上方法得到的稀土元素掺杂后的钛酸钡纳米颗粒用于光催化二氧化碳还原反应。