本發(fā)明涉及一種摻雜稀土離子的鈦酸鋇納米粉光催化劑及其制備方法，尤其涉及一種超小尺度的稀土摻雜鈦酸鋇納米粉光催化劑的制備方法。
背景技術(shù)：
鈦酸鋇是一種典型的鈣鈦礦型鐵電體，多年來(lái)BaTiO3的應(yīng)用研究主要集中于換能器、敏感元件和電容器等領(lǐng)域。近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)BaTiO3作為鈣鈦礦型氧化物也是一類光催化劑，在紫外光或可見光照射下同樣能產(chǎn)生光生電子和光生空穴，鐵電材料的自發(fā)極化可拉開光生電子-空穴對(duì)，從而減少光催化材料光生電子-空穴的復(fù)合幾率，進(jìn)而顯著提高光催化效率。另外，光催化劑粒子的尺寸越小，量子尺寸效應(yīng)越顯著，其光吸收發(fā)生明顯的藍(lán)移，帶隙變寬使光生電子和空穴有更高的氧化還原電位，提高其光催化的氧化還原能力；同時(shí)，粒徑變小有利于電子和空穴的擴(kuò)散速度，進(jìn)而提升光催化性能。目前文獻(xiàn)報(bào)道的鈦酸鋇粉體的尺度一般在100nm以上，甚至微米級(jí)別，這極大地限制了鈦酸鋇粉體在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用。
因此，若有一種工藝可以獲得超小尺度、單分散的鈦酸鋇納米粉，從根本上改進(jìn)粉體的微觀結(jié)構(gòu)，提高粉體的性能，進(jìn)而提高粉體的光催化特性，且能夠滿足產(chǎn)業(yè)化的需求將極大地促進(jìn)鈦酸鋇粉體在光催化領(lǐng)域的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的技術(shù)方案是為了克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種滿足產(chǎn)業(yè)化需求，超小尺度、單分散的稀土摻雜鈦酸鋇納米粉光催化劑的制備方法。
本發(fā)明提出的稀土摻雜鈦酸鋇納米粉光催化劑的制備方法，包括以下步驟：
a、準(zhǔn)確稱量氯化鋇，溶于去離子水形成氯化鋇溶液；將微米級(jí)稀土氧化物粉體溶于鹽酸中，加入去離子水配置成一定濃度的稀土鹽溶液；或以稀土氯化物為原料配置成稀土鹽溶液；將氯化鋇溶液、稀土鹽溶液和四氯化鈦乙醇溶液按照一定的配比混合、定容形成混合溶液；
b、將碳酸氫銨和氨水同時(shí)作為沉淀劑，與無(wú)水乙醇混合，攪拌，定容形成沉淀劑溶液；
c、在室溫下，將混合溶液和沉淀劑溶液以相同速度分別從反應(yīng)器入口注入反應(yīng)器，在劇烈攪拌的作用下瞬間形成沉淀物；沉淀物從反應(yīng)器出口動(dòng)態(tài)、有序流出；將沉淀物進(jìn)行過(guò)濾，無(wú)水乙醇洗滌，抽干，得到固體沉淀物；
d、將固體沉淀物與正戊醇混合，進(jìn)行減壓共沸蒸餾，加熱使水分完全蒸出，繼續(xù)蒸餾得到超小尺度稀土摻雜鈦酸鋇納米粉前驅(qū)體；稀土摻雜鈦酸鋇納米粉前驅(qū)體在馬弗爐中焙燒得到稀土摻雜鈦酸鋇納米粉。
其中，步驟(a)所述的摻雜稀土(RE)包括：釔、鑭、鈰、鐠、釹、釓；所述的混合溶液的總濃度為0.5mol/L-2.0mol/L；所述的稀土鹽溶液、氯化鋇溶液和四氯化鈦乙醇溶液的摩爾比[RE]/[Ba]＝(0.001-0.1):1：1。
步驟(b)所述的沉淀劑碳酸氫銨的用量為[C]/[Ba]＝(2.0-2.4):1；無(wú)水乙醇的用量分別為混合溶液和沉淀劑溶液體積的10-30％。
稀土鹽溶液和沉淀劑溶液注入反應(yīng)器的速度為40L/h-200L/h；所述的攪拌速度為800rpm-4000rpm；所述的沉淀反應(yīng)pH值在8-9之間。
步驟(b)所述的生成固體沉淀物的過(guò)程動(dòng)態(tài)、有序完成，沉淀物生成后清洗、過(guò)濾，無(wú)陳化過(guò)程。
本發(fā)明采用動(dòng)態(tài)有序沉淀法制備超小尺度稀土摻雜鈦酸鋇納米粉光催化劑，具體方法包括如下幾個(gè)關(guān)鍵部分。所用的混合溶液的濃度在0.5-2.0mol/1之間，溶液高濃度有助于快速生成大量的細(xì)小晶粒。在第二步中，稀土鹽溶液和沉淀劑溶液以相同速度快速注入反應(yīng)器，注入反應(yīng)器的速度為40L/h-200L/h，沉淀反應(yīng)過(guò)程中的攪拌速度為800rpm-4000rpm。在高強(qiáng)度的機(jī)械攪拌下，混合溶液和沉淀劑溶液在交界面處發(fā)生沉淀反應(yīng)。機(jī)械攪拌的強(qiáng)度越大，快速成核的數(shù)目也越大，所形成的顆粒粒徑越小。另外，本方法所使用的反應(yīng)器采用多組反應(yīng)液進(jìn)口和生成液出口，進(jìn)口和出口交替安置，固態(tài)顆粒剛生成就從最近的反應(yīng)器出口流出反應(yīng)器,在反應(yīng)器中停留的時(shí)間非常短，大大減少了與前一階段所生成的納米粒子處于同一容器的幾率，保證了所制得的納米粒子具有良好的單分散性。
本發(fā)明的有益效果：本方法通過(guò)動(dòng)態(tài)有序沉淀法制備超小尺度的稀土摻雜鈦酸鋇納米粉光催化劑，從反應(yīng)物注入、沉淀物生成到沉淀物后處理，整個(gè)過(guò)程動(dòng)態(tài)、有序完成。不需陳化，不使用表面活性劑，反應(yīng)快速，周期短，簡(jiǎn)易方便，成本低，適合大批量生產(chǎn)超小尺度、分散均勻的稀土摻雜鈦酸鋇納米粉光催化劑。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例，進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
實(shí)施例1：
按照[La]/[Ba]＝0.005:1的配比，準(zhǔn)確稱量氯化鋇和氯化鑭；將氯化鋇和氯化鑭溶于水形成溶液，與四氯化鈦乙醇溶液按照[Ti]/[Ba]＝1:1混合，再加入去離子水定容，配置成1.0mol/L的混合溶液；按照[C]/[Ba]＝(2.0-2.4):1的配比稱取碳酸氫銨，與氨水混合，加入無(wú)水乙醇和去離子水，攪拌、定容，形成沉淀劑溶液；無(wú)水乙醇占沉淀劑溶液體積的20％。在室溫下，將混合溶液和沉淀劑溶液以80L/h的速度分別從反應(yīng)器入口注入反應(yīng)器，同時(shí)以4000rpm的轉(zhuǎn)數(shù)劇烈攪拌，控制沉淀反應(yīng)pH值在8.5-9.0之間；沉淀物形成后立即從反應(yīng)器出口動(dòng)態(tài)、有序流出，得到前驅(qū)體漿料；將漿料進(jìn)行過(guò)濾，無(wú)水乙醇洗滌，抽干，得到固體沉淀物。將固體沉淀物與正戊醇混合，進(jìn)行減壓共沸蒸餾，得到平均粒徑為2-3nm的超小尺度鑭摻雜鈦酸鋇納米粉前驅(qū)體粉末；前驅(qū)體粉末在馬弗爐中焙燒得到單分散、微粒尺寸小于10nm的鑭摻雜鈦酸鋇納米粉光催化劑。
實(shí)施例2：
按照[Pu]/[Ba]＝0.005:1的配比，準(zhǔn)確稱量氯化鋇和氯化鐠；將氯化鋇和氯化鐠溶于水形成溶液，與四氯化鈦乙醇溶液按照[Ti]/[Ba]＝1:1混合，再加入去離子水定容，配置成1.0mol/L的混合溶液；按照[C]/[Ba]＝(2.0-2.4):1的配比稱取碳酸氫銨，與氨水混合，加入無(wú)水乙醇和去離子水，攪拌、定容，形成沉淀劑溶液；無(wú)水乙醇占沉淀劑溶液體積的20％。在室溫下，將混合溶液和沉淀劑溶液以80L/h的速度分別從反應(yīng)器入口注入反應(yīng)器，同時(shí)以4000rpm的轉(zhuǎn)數(shù)劇烈攪拌，控制沉淀反應(yīng)pH值在8.5-9.0之間；沉淀物形成后立即從反應(yīng)器出口動(dòng)態(tài)、有序流出，得到前驅(qū)體漿料；將漿料進(jìn)行過(guò)濾，無(wú)水乙醇洗滌，抽干，得到固體沉淀物。將固體沉淀物與正戊醇混合，進(jìn)行減壓共沸蒸餾，得到平均粒徑為2-3nm的超小尺度鐠摻雜鈦酸鋇納米粉前驅(qū)體粉末；前驅(qū)體粉末在馬弗爐中焙燒得到單分散、微粒尺寸小于10nm的鐠摻雜鈦酸鋇納米粉光催化劑。
實(shí)施例3：
按照[Nd]/[Ba]＝0.005:1的配比，準(zhǔn)確稱量氯化鋇和氯化釹；將氯化鋇和氯化釹溶于水形成溶液，與四氯化鈦乙醇溶液按照[Ti]/[Ba]＝1:1混合，再加入去離子水定容，配置成1.0mol/L的混合溶液；按照[C]/[Ba]＝(2.0-2.4):1的配比稱取碳酸氫銨，與氨水混合，加入無(wú)水乙醇和去離子水，攪拌、定容，形成沉淀劑溶液；無(wú)水乙醇占沉淀劑溶液體積的20％。在室溫下，將混合溶液和沉淀劑溶液以80L/h的速度分別從反應(yīng)器入口注入反應(yīng)器，同時(shí)以4000rpm的轉(zhuǎn)數(shù)劇烈攪拌，控制沉淀反應(yīng)pH值在8.5-9.0之間；沉淀物形成后立即從反應(yīng)器出口動(dòng)態(tài)、有序流出，得到前驅(qū)體漿料；將漿料進(jìn)行過(guò)濾，無(wú)水乙醇洗滌，抽干，得到固體沉淀物。將固體沉淀物與正戊醇混合，進(jìn)行減壓共沸蒸餾，得到平均粒徑為2-3nm的超小尺度釹摻雜鈦酸鋇納米粉前驅(qū)體粉末；前驅(qū)體粉末在馬弗爐中焙燒得到單分散、微粒尺寸小于10nm的釹摻雜鈦酸鋇納米粉光催化劑。
對(duì)比實(shí)施例1
按照[Nd]/[Ba]＝0.005:1的配比，準(zhǔn)確稱量氯化鋇和氯化釹；將氯化鋇和氯化釹溶于水形成溶液，與四氯化鈦乙醇溶液按照[Ti]/[Ba]＝1:1混合，再加入去離子水定容，配置成1.0mol/L的混合溶液；按照[C]/[Ba]＝(2.0-2.4):1的配比稱取碳酸氫銨，與氨水混合，加入無(wú)水乙醇和去離子水，攪拌、定容，形成沉淀劑溶液；無(wú)水乙醇占沉淀劑溶液體積的20％。在室溫下，將混合溶液和沉淀劑溶液滴入反應(yīng)器，以800rpm的轉(zhuǎn)數(shù)劇烈攪拌，控制沉淀反應(yīng)pH值在8.5-9.0之間；沉淀物形成后陳化1小時(shí)，用大量去離子水稀釋沉淀物，得到前驅(qū)體漿料；將漿料進(jìn)行過(guò)濾，無(wú)水乙醇洗滌，抽干，得到固體沉淀物。將固體沉淀物與正戊醇混合，進(jìn)行減壓共沸蒸餾，得到前驅(qū)體粉末；前驅(qū)體粉末在馬弗爐中焙燒得到釹摻雜鈦酸鋇納米粉光催化劑，微粒平均尺寸大于30nm，粒度分布不均勻，粉體有團(tuán)聚。