本發(fā)明涉及一種可見光響應(yīng)的光催化劑LiFeSi2O6及其制備方法，屬于無機(jī)光催化材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人們對于能源和生態(tài)環(huán)境越來越關(guān)注,解決能源短缺和環(huán)境污染問題是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、提高人民生活質(zhì)量和保障國家安全的迫切需要。
從20世紀(jì)70年代末期，人們提出了利用光催化劑分解水中和大氣中的農(nóng)藥以及惡臭物質(zhì)等有機(jī)物，以及涂有光催化劑的固體表面的自我清潔等應(yīng)用實(shí)例。光催化反應(yīng)的原理是光催化劑在吸收了高于其帶隙能量的光子后，生成了空穴和電子，這些空穴和電子分別進(jìn)行氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)，達(dá)到分解有害化學(xué)物質(zhì)、有機(jī)生物質(zhì)和殺菌的目的。光催化劑有許多種,其中最有代表性的是二氧化鈦(TiO2)，已經(jīng)利用二氧化鈦對水中和大氣中的農(nóng)藥和惡臭物質(zhì)等有機(jī)物進(jìn)行分解，然而二氧化鈦的帶隙是3.2eV,只有在比400nm短的紫外線的照射下才能顯現(xiàn)出活性，只能在室內(nèi)或者有紫外燈的地方工作，幾乎不能利用可見光，這大大的限制了二氧化鈦光催化劑的使用。
考慮到光催化劑在分解有害物質(zhì)中的實(shí)用性，利用太陽光作為光源是不可缺少的。照射向地表的太陽光中波長在500nm附近可見光的強(qiáng)度最大，波長為400nm～750nm的可見光區(qū)的能量大約是太陽光總能量的43％，所以為了高效的利用，鉍系光催化劑的開發(fā)和研究已經(jīng)取得了一系列重大的成果，三價(jià)鉍的復(fù)合物如BiVO4、Bi2MoO6、Bi2Mo2O9、Bi2Mo3O12和Bi2WO4被報(bào)道在可見光下具有良好的吸收。一系列鈮(鉭)酸鹽光催化劑由于具有較高的光催化活性而被廣泛研究。例如，鈮酸鹽光催化劑Pb3Nb4O13、BiNbO4和Bi2MNbO7(M＝Al、Ga，In，Y，稀土元素和Fe)等和鈮鉀復(fù)合氧化物光催化劑如KNbO3、KNb3O8、K4Nb6O17和K6Nb10.6O30等都具有較好的光催化性能,但是在可見光范圍內(nèi)其本征光催化效應(yīng)很弱或沒有活性。
雖然光催化研究已進(jìn)行了若干年,目前對可見光響應(yīng)的光催化劑的探索與開發(fā)大部分是通過大量實(shí)驗(yàn)而得出的經(jīng)驗(yàn)總結(jié),在理論上還無法從化合物的晶體結(jié)構(gòu)、組成、分子量等理化性質(zhì)上預(yù)測其光催化性能，因此目前報(bào)道的具有可見光響應(yīng)的光催化劑種類仍很有限，并存在著光轉(zhuǎn)換效率低、合成困難、穩(wěn)定性差和光譜響應(yīng)范圍窄等問題,研究和開發(fā)新的制備方法簡單并具有寬頻可見光響應(yīng)的高效光催化劑是本領(lǐng)域科技人員一直渴望解決但始終難以獲得成功的難題，這在很大程度上限制了光催化劑的廣泛應(yīng)用與發(fā)展。我們對組成為LiFeSi2O6、LiFeGe2O6和LiFeSi3O8的樣品進(jìn)行了光催化性能研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)LiFeSi2O6帶隙寬度是2.67eV,具有優(yōu)異的可見光響應(yīng)的光催化性能；LiFeGe2O6和LiFeSi3O8為絕緣體，在紫外線的照射下也不顯現(xiàn)出活性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種具有可見光響應(yīng)的光催化劑LiFeSi2O6及其制備方法。
本發(fā)明涉及的具有可見光響應(yīng)的光催化劑的化學(xué)組成式為:LiFeSi2O6。
上述可見光響應(yīng)的光催化劑的制備方法具體步驟為：
(1)將99.9％分析純的化學(xué)原料Li2CO3、Fe2O3和SiO2的粉末按LiFeSi2O6的組成稱量配料。
(2)將步驟(1)配好的原料混合，放入球磨罐中，加入氧化鋯球和無水乙醇，球磨8小時(shí)，混合磨細(xì)，取出烘干，過200目篩。
(3)將步驟(2)混合均勻的粉料在950～1000℃預(yù)燒，并保溫6小時(shí)，自然冷卻至室溫，然后通過球磨機(jī)粉碎使顆粒平均直徑變小，低于2μm，即得到LiFeSi2O6粉末。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：LiFeSi2O6光催化劑的可見光響應(yīng)頻率范圍寬，光轉(zhuǎn)換效率高和穩(wěn)定性好,在可見光照射下具有分解有害化學(xué)物質(zhì)、有機(jī)生物質(zhì)和殺菌的作用；另外制備方法簡單、合成溫度低，成本低，適合工業(yè)生產(chǎn)與應(yīng)用。
具體實(shí)施方式
下面將對本發(fā)明進(jìn)行具體說明：
1、為了得到本發(fā)明中所使用的復(fù)合氧化物，首先使用固相合成法制備粉末，即把作為原料的各種氧化物或碳酸鹽按照目標(biāo)組成化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行混合，再在常壓下于空氣氣氛中合成。
2、為了能夠有效利用光，本發(fā)明中的光催化劑的尺寸最好在微米級別，甚至是納米粒子，且比表面積較大。用固相合成法制備的氧化物粉末，其粒子較大而表面積較小，但是可以通過球磨機(jī)粉碎手段使粒子直徑變小。
3、本發(fā)明的光催化實(shí)驗(yàn)以甲基橙作為模擬有機(jī)污染物，其濃度為20mg/L；光催化劑LiFeSi2O6的加入量為1g/L；光源使用300W的氙燈，反應(yīng)槽使用硼硅酸玻璃制成的器皿，通過濾波器得到波長大于420nm的光，然后照射光催化劑；催化時(shí)間設(shè)定為60分鐘。
實(shí)施例1：
(1)將分析純化學(xué)原料Li2CO3、Fe2O3和SiO2的粉末按LiFeSi2O6的組成稱量配料。
(2)將步驟(1)配好的原料混合，放入球磨罐中，加入氧化鋯球和無水乙醇，球磨8小時(shí)，混合磨細(xì)，取出烘干，過200目篩。
(3)將步驟(2)混合均勻的粉料在950℃預(yù)燒，并保溫6小時(shí)，自然冷卻至室溫，然后通過球磨機(jī)粉碎使顆粒平均直徑變小，低于2μm，即得到LiFeSi2O6粉末。
所制備的光催化劑，在波長大于420nm的可見光照射下，60分鐘對甲基橙去除率達(dá)到97.5％。
實(shí)施例2：
(1)將分析純化學(xué)原料Li2CO3、Fe2O3和SiO2的粉末按LiFeSi2O6的組成稱量配料。
(2)將步驟(1)配好的原料混合，放入球磨罐中，加入氧化鋯球和無水乙醇，球磨8小時(shí)，混合磨細(xì)，取出烘干，過200目篩。
(3)將步驟(2)混合均勻的粉料在980℃預(yù)燒，并保溫6小時(shí)，自然冷卻至室溫，然后通過球磨機(jī)粉碎使顆粒平均直徑變小，低于2μm，即得到LiFeSi2O6粉末。
所制備的光催化劑，在波長大于420nm的可見光照射下，60分鐘對甲基橙去除率達(dá)到98.5％。
實(shí)施例3：
(1)將分析純化學(xué)原料Li2CO3、Fe2O3和SiO2的粉末按LiFeSi2O6的組成稱量配料。
(2)將步驟(1)配好的原料混合，放入球磨罐中，加入氧化鋯球和無水乙醇，球磨8小時(shí)，混合磨細(xì)，取出烘干，過200目篩。
(3)將步驟(2)混合均勻的粉料在1000℃預(yù)燒，并保溫6小時(shí)，自然冷卻至室溫，然后通過球磨機(jī)粉碎使顆粒平均直徑變小，低于2μm，即得到LiFeSi2O6粉末。
所制備的光催化劑，在波長大于420nm的可見光照射下，60min對甲基橙去除率達(dá)到97.4％。
本發(fā)明決不限于以上實(shí)施例。各溫度的上下限、區(qū)間取值都能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，在此不一一列舉實(shí)施例。
以上發(fā)明實(shí)施例所制的光催化劑粉末可負(fù)載于多種基體表面上?；w可以是玻璃、陶瓷、活性炭或石英砂等，光催化劑可以以薄膜的形式負(fù)載于基體表面。