本發(fā)明涉及光催化技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種多元金屬離子摻雜納米氧化鐵光解水催化劑制備方法。

背景技術(shù)：

近幾十年來(lái)，隨著全球能源需求的持續(xù)增長(zhǎng)，尋找新能源的研究越來(lái)越受到人們的關(guān)注。氫能，它作為二次能源，具有清潔、高效、安全、可貯存、可運(yùn)輸?shù)戎T多優(yōu)點(diǎn)，已普遍被人們認(rèn)為是一種最理想的新世紀(jì)無(wú)污染的綠色能源，因此受到了各國(guó)的高度重視。

光解水制氫技術(shù)始自1972年，由日本東京大學(xué)fujishimaa和hondak兩位教授首次報(bào)告發(fā)現(xiàn)tio2單晶電極光催化分解水從而產(chǎn)生氫氣這一現(xiàn)象，從而揭示了利用太陽(yáng)能直接分解水制氫的可能性，開(kāi)辟了利用太陽(yáng)能光解水制氫的研究道路。隨著電極電解水向半導(dǎo)體光催化分解水制氫的多相光催化的演變和tio2以外的光催化劑的相繼發(fā)現(xiàn)，興起了以光催化方法分解水制氫(簡(jiǎn)稱(chēng)光解水)的研究，并在光催化劑的合成、改性等方面取得較大進(jìn)展。近些年來(lái)對(duì)tio2、wo3、zno、zns、cds、ta3n5、fe2o3等半導(dǎo)體的研究成為研究熱點(diǎn)，并已取得較大進(jìn)展。

α-fe2o3是目前最具吸引力的用于研究光解水體系的半導(dǎo)體材料之一，與其他半導(dǎo)體材料相比，它具有自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。首先：其帶隙寬度為2.1ev，能吸收占太陽(yáng)能中48％的可見(jiàn)光和5％的紫外光，具有顯著的光吸收特性。其次，在大多數(shù)電解液中，α-fe2o3通常不易被腐蝕，光催化穩(wěn)定性強(qiáng)。而且，α-fe2o3在自然界中廣泛存在，價(jià)格低廉、無(wú)毒等特點(diǎn)，使得α-fe2o3成為光解水研究的新熱點(diǎn)。

雖然氧化鐵是優(yōu)良的光催化劑，但用于光分解水時(shí)仍有其局限性。問(wèn)題之一是氧化鐵的空穴擴(kuò)散距離太短，介于2到20納米左右。因此只有表面以下20納米左右的空穴能夠遷移到表面參與化學(xué)反應(yīng)，可用于分解水。更深層的空穴在遷移到表面之前就與電子復(fù)合而無(wú)法參與水分解。另外，雖然氧化鐵的帶隙不大，可以吸收大部分可見(jiàn)光，但氧化鐵的導(dǎo)帶太低，無(wú)法直接還原氫，需要有外加電場(chǎng)才能實(shí)現(xiàn)光分解水制氫。近年來(lái)，人們嘗試不同方法試圖改進(jìn)這兩個(gè)局限性以提高氧化鐵的光分解水效率，如制備納米顆粒、摻雜或介孔結(jié)構(gòu)來(lái)降低電子空穴復(fù)合率，通過(guò)過(guò)渡金屬氧化物表面改性來(lái)延長(zhǎng)光生空穴的壽命等等。近來(lái)發(fā)現(xiàn)，多元摻雜是提高氧化鐵光催化性能的一個(gè)有效途徑。本發(fā)明正式基于這一思路進(jìn)行的材料設(shè)計(jì)，并采用了簡(jiǎn)便易行的水熱法進(jìn)行制備，易于實(shí)現(xiàn)多元摻雜的精確調(diào)控，合成產(chǎn)物具有結(jié)晶完整、粒徑均勻、易于分散等特點(diǎn)，并具有較好的光催化特性，在未來(lái)氫能利用中將有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種一步同時(shí)實(shí)現(xiàn)多元金屬離子共摻雜的納米氧化鐵光解水催化劑的簡(jiǎn)便制備方法。

本發(fā)明提供了一種多元金屬離子共摻雜納米氧化鐵光解水催化劑，其包括金屬元素?fù)诫s納米氧化鐵顆粒，金屬摻雜元素包括m，m為ti和/或sn，其中：

(1)m為ti和sn；

(2)m為ti和sn，還包括n，n為al、be、cr、cu、mg中至少一種；

(3)m為ti或sn，還包括n，n為al、be、cr、cu、mg中至少一種；

優(yōu)選地，金屬摻雜元素在多元金屬離子共摻雜納米氧化鐵光解水催化劑中的摩爾百分比存在如下關(guān)系：

m：5-10％，其中ti：0-5％，sn：0-5％；

n：0-5％；

金屬摻雜元素總含量為：5-15％。

優(yōu)選地，其微觀形貌為不規(guī)則顆粒或具有二級(jí)結(jié)構(gòu)的毛球顆粒，其顆粒粒徑為20-300nm。

本發(fā)明提供了一種多元金屬離子共摻雜納米氧化鐵光解水催化劑的制備方法，包括以下步驟：

s1、配制含有fe³⁺鹽和nano3的混合溶液a，其中fe³⁺的濃度為0.05-0.5mol/l，nano3的濃度為0.1-1mol/l；接著加入濃度為0.05-0.5mol/l的摻雜元素鹽類(lèi)乙醇溶液至混合溶液a中得到混合溶液b，混合溶液a與摻雜元素鹽類(lèi)乙醇溶液的體積比為20：1～10：1；將混合溶液b加入反應(yīng)釜中，然后將含有混合溶液b的反應(yīng)釜置于烘箱中，100-250℃水熱反應(yīng)5-24h；反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)后的反應(yīng)釜置于流動(dòng)的水下，迅速冷卻得到物料c；

s2、采用0.2mol/l的氨水洗滌物料c，調(diào)節(jié)零電荷點(diǎn)可使產(chǎn)物沉降分離；

s3、將s2中得到的納米顆粒進(jìn)行退火處理，300-700℃退火1-5h得到多元金屬離子共摻雜納米氧化鐵光解水催化劑。

優(yōu)選地，fe³⁺鹽可為氯鹽或硝酸鹽。

優(yōu)選地，摻雜元素鹽類(lèi)為氯鹽。

本發(fā)明的有益效果是：通過(guò)在氧化鐵納米顆粒中進(jìn)行多元共摻雜，獲得一種復(fù)合型光解水催化劑，同時(shí)發(fā)揮幾種摻雜元素的復(fù)合功效，易于進(jìn)行性能調(diào)控，有利于提高其催化制氫效果，對(duì)于促進(jìn)太陽(yáng)能制氫技術(shù)的發(fā)展具有積極意義。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1、實(shí)施例2所得多元金屬離子共摻雜納米氧化鐵光解水催化劑的形貌圖；其中(a)為α-fe2o3:ti&sn的形貌圖；(b)為α-fe2o3:ti&sn&al的形貌圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1、實(shí)施例2所得多元金屬離子共摻雜納米氧化鐵光解水催化劑的xrd圖；其中(a)為α-fe2o3:ti&sn；(b)為α-fe2o3:ti&sn&al。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1、實(shí)施例2所得多元金屬離子共摻雜納米氧化鐵光解水催化劑的光電流密度圖；其中(a)為α-fe2o3:ti&sn；(b)為α-fe2o3:ti&sn&al。

具體實(shí)施方式

下面，通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例1

本發(fā)明提供了一種多元金屬離子共摻雜納米氧化鐵光解水催化劑的制備方法，包括以下步驟：

s1、配制fecl3和nano3的混合溶液a，其中fecl3的濃度為0.1mol/l，nano3的濃度為0.5mol/l；配制ticl4和sncl4的摻雜離子乙醇溶液，其中ticl4的濃度為0.1mol/l，sncl4的濃度為0.04mol/l；將摻雜離子乙醇溶液加入混合溶液a中得到混合溶液b，混合溶液a與摻雜離子乙醇溶液的體積比為20：1；將混合溶液b加入反應(yīng)釜中，然后將含有混合溶液b的反應(yīng)釜置于烘箱中，100℃水熱反應(yīng)10h；反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)后的反應(yīng)釜置于流動(dòng)的水下，迅速冷卻得到物料c；

s2、采用0.2mol/l的氨水洗滌物料c，調(diào)節(jié)零電荷點(diǎn)可使產(chǎn)物沉降分離；

s3、將s2中得到的納米顆粒進(jìn)行退火處理，500℃退火2h得到多元金屬離子共摻雜納米氧化鐵光解水催化劑，即5％ti和2％sn共摻雜的α-fe2o3納米顆粒，其產(chǎn)物的形貌圖如圖1(a)所示，xrd測(cè)試結(jié)果如圖2(a)所示。

實(shí)施例2

本發(fā)明提供了一種多元金屬離子共摻雜納米氧化鐵光解水催化劑的制備方法，包括以下步驟：

s1、配制fecl3和nano3的混合溶液a，其中fecl3的濃度為0.1mol/l，nano3的濃度為0.5mol/l；配制ticl4、sncl4和alcl3的摻雜離子乙醇溶液，其中ticl4的濃度為0.1mol/l，sncl4的濃度為0.04mol/l，alcl3的濃度為0.02mol/l；將摻雜離子乙醇溶液加入混合溶液a中得到混合溶液b，混合溶液a與摻雜元素鹽類(lèi)乙醇溶液的體積比為20：1；將混合溶液b加入反應(yīng)釜中，然后將含有混合溶液b的反應(yīng)釜置于烘箱中，100℃水熱反應(yīng)10h；反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)后的反應(yīng)釜置于流動(dòng)的水下，迅速冷卻得到物料c；

s2、采用0.2mol/l的氨水洗滌物料c，調(diào)節(jié)零電荷點(diǎn)可使產(chǎn)物沉降分離；

s3、將s2中得到的納米顆粒進(jìn)行退火處理，500℃退火2h得到多元金屬離子共摻雜納米氧化鐵光解水催化劑，即5％ti、2％sn和1％al共摻雜的α-fe2o3納米顆粒，其產(chǎn)物的形貌圖如圖1(b)所示，xrd測(cè)試結(jié)果如圖2(b)所示。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。