一种钽酸钠基复合材料的制备方法

摘要

本发明提供了一种钽酸钠基复合材料的制备方法，包括以下步骤：一、将五氧化二钽粉体加入到氢氧化钠水溶液中超声搅拌均匀，然后进行水热反应，干燥后得到钽酸钠粉体；二、将钽酸钠粉体和氧化石墨烯加入去离子水中，超声分散均匀后得到悬浊液；三、进行旋转蒸发干燥处理，得到钽酸钠基复合材料。本发明复合过程简单，复合效果好，所制钽酸钠基复合材料的光催化性能得到明显提升，能大幅降低石墨烯的使用量，从而降低复合成本。

权利要求

1.一种钽酸钠基复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、将五氧化二钽粉体加入到氢氧化钠水溶液中超声搅拌均匀，然后在温度为120℃～180℃的条件下水热反应2h～20h，干燥后得到钽酸钠粉体；

步骤二、将步骤一中所述钽酸钠粉体和氧化石墨烯加入去离子水中，超声分散均匀后得到悬浊液；所述钽酸钠粉体与氧化石墨烯的质量比为1∶(0.03～0.08)；

步骤三、对步骤二中所述悬浊液进行旋转蒸发干燥处理，得到钽酸钠基复合材料；所述旋转蒸发是在负压下进行的，所述旋转蒸发的温度为50℃～70℃。

2.根据权利要求1所述的一种钽酸钠基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述氢氧化钠水溶液的浓度为0.2mol/L～0.6mol/L。

3.根据权利要求1所述的一种钽酸钠基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述五氧化二钽粉体与氢氧化钠水溶液中氢氧化钠的摩尔比为1∶(8～24)。

4.根据权利要求1所述的一种钽酸钠基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述钽酸钠粉体和去离子水的质量比为(0.001～0.1)∶1。

说明书

一种钽酸钠基复合材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种钽酸钠基复合材料的制备方法。

背景技术

[0002] 环境污染与能源短缺问题已经成为当今制约人类社会发展的两大瓶颈，利用半导体光催化技术实现太阳能的高效转化利用是解决这两大难题的有效途径。人们已经针对半导体光催化进行了大量研究，并发展了多种光催化材料，有研究指出具有特殊层状结构或柱状结构的钽酸盐光催化剂，具有优异的光催化活性及良好的化学稳定性，在光催化裂解去离子水产氢及降解有机污染物中具有一定优势，因此在光催化领域具有广阔的应用前景。其中，钽酸钠是具有最强光催化活性的钽酸盐材料，钽酸钠具有钙钛矿型结构，由TaO6八面体构成，其导带主要由Ta 5d轨道构成，紫外光照射下，即使在无共催化剂负载的情况下也可以表现出很高的光催化裂解去离子水活性。光催化剂的活性很大程度上取决于光催化过程中产生的光生电子-空穴对的分离效率，而钽酸钠导带对光生电子的捕获能力有限，容易发生光生电子-空穴的再复合，因此如何通过提升电子-空穴分离效率来进一步提高钽酸钠的光催化效率是目前需要解决的技术难题。

[0003] 氧化石墨烯，作为一种新型的二维碳基材料，具有优异的电输运性能和表面化学性能，可以有效的进行电子、空穴的传输，另外氧化石墨烯的大比表面积有利于光催化过程中有机污染物的吸附，从而使得其复合材料在光催化过程中的吸附效率、光生载流子的分离效率以及光催化效率得到极大的提高。因此，实现氧化石墨烯与钽酸钠材料的有效复合，有助于钽酸钠中光生电子-空穴的传输，是提升钽酸钠光催化性能的有效手段。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种钽酸钠基复合材料的制备方法。该方法通过将钽酸钠粉体和氧化石墨烯在去离子水溶液中充分混合，再通过旋转蒸发的方式将溶剂烘干得到，能够使钽酸钠粉体和氧化石墨烯的复合效果更好，从而提高钽酸钠基复合材料的光催化性能。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种钽酸钠基复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

[0006] 步骤一、将五氧化二钽粉体加入到氢氧化钠水溶液中超声搅拌均匀，然后在温度为120℃～180℃的条件下水热反应2h～20h，干燥后得到钽酸钠粉体；

[0007] 步骤二、将步骤一中所述钽酸钠粉体和氧化石墨烯加入去离子水中，超声分散均匀后得到悬浊液；

[0008] 步骤三、对步骤二中所述悬浊液进行旋转蒸发干燥处理，得到钽酸钠基复合材料。

[0009] 上述的一种钽酸钠基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述氢氧化钠水溶液的浓度为0.2mol/L～0.6mol/L。

[0010] 上述的一种钽酸钠基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述五氧化二钽粉体与氢氧化钠水溶液中氢氧化钠的摩尔比为1∶(8～24)。

[0011] 上述的一种钽酸钠基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述钽酸钠粉体与氧化石墨烯的质量比为1∶(0.03～0.08)。

[0012] 上述的一种钽酸钠基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述钽酸钠粉体和去离子水的质量比为(0.001～0.1)∶1。

[0013] 上述的一种钽酸钠基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述旋转蒸发的温度为50℃～70℃。

[0014] 本发明所述氧化石墨烯均采用常规的Hummer法制备，因该制备方法成熟，本发明中不做详细介绍。

[0015] 本发明与现有技术相比具有以下优点：

[0016] 1、本发明采用旋转蒸发作为干燥工艺，相比于常规加热将溶剂烘干的方法，不仅能有效提高复合材料的光催化性能，还能降低氧化石墨烯的用量。

[0017] 2、本发明所述的旋转蒸发是在负压下进行的。旋转蒸发的操作方法为对蒸发环境进行负压处理，从而降低溶剂的沸点，在较低的温度下对溶液进行蒸发。在蒸发过程中，溶液也一直保持旋转扰动状态，更有利于悬浊液的混合，使其不易于沉淀。

[0018] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

附图说明

[0019] 图1为本发明对比例1钽酸钠粉体的XRD图。

[0020] 图2为本发明对比例1钽酸钠粉体的SEM照片。

[0021] 图3为本发明对比例1钽酸钠粉体的UV-Vis吸收光谱。

[0022] 图4为本发明实施例1-3和对比例2-4钽酸钠基复合材料以及对比例1钽酸钠粉体进行光催化降解染料试验的试验结果对比图。

具体实施方式

[0023] 实施例1

[0024] 本实施例钽酸钠基复合材料的制备方法包括以下步骤：

[0025] 步骤一、将0.64g氢氧化钠溶解于40mL去离子水中，加入0.441g五氧化二钽，超声混合20min，随后转入水热釜中进行水热反应，水热温度为140℃，水热时间为12h。水热反应后用去离子水和乙醇对反应产物进行清洗，干燥后得到钽酸钠粉体；

[0026] 步骤二、分别取0.5g钽酸钠粉体和质量分数为钽酸钠粉体3％的氧化石墨烯，加入50mL去离子水中，超声搅拌至两者充分混合均匀，得到悬浊液；

[0027] 步骤三、将步骤二中所述悬浊液转入旋转蒸发器中，在温度为60℃的负压条件下将溶剂完全挥发干，得到钽酸钠基复合材料。

[0028] 实施例2

[0029] 本实施例钽酸钠基复合材料的制备方法包括以下步骤：

[0030] 步骤一、将0.64g氢氧化钠溶解于40mL去离子水中，加入0.441g五氧化二钽，超声混合20min，随后转入水热釜中进行水热反应，水热温度为140℃，水热时间为12h。水热反应后用去离子水和乙醇对反应产物进行清洗，干燥后得到钽酸钠粉体；

[0031] 步骤二、分别取0.5g钽酸钠粉体和质量分数为钽酸钠粉体5％的氧化石墨烯，加入50mL去离子水中，超声搅拌至两者充分混合均匀，得到悬浊液；

[0032] 步骤三、将步骤二中所述悬浊液转入旋转蒸发器中，在温度为60℃的负压条件下将溶剂完全挥发干，得到钽酸钠基复合材料。

[0033] 实施例3

[0034] 本实施例钽酸钠基复合材料的制备方法包括以下步骤：

[0035] 步骤一、将0.64g氢氧化钠溶解于40mL去离子水中，加入0.441g五氧化二钽，超声混合20min，随后转入水热釜中进行水热反应，水热温度为140℃，水热时间为12h。水热反应后用去离子水和乙醇对反应产物进行清洗，干燥后得到钽酸钠粉体；

[0036] 步骤二、分别取0.5g钽酸钠粉体和质量分数为钽酸钠粉体8％的氧化石墨烯，加入50mL去离子水中，超声搅拌至两者充分混合均匀，得到悬浊液；

[0037] 步骤三、将步骤二中所述悬浊液转入旋转蒸发器中，在温度为60℃的负压条件下将溶剂完全挥发干，得到钽酸钠基复合材料。

[0038] 实施例4

[0039] 本实施例钽酸钠基复合材料的制备方法包括以下步骤：

[0040] 步骤一、将0.8g氢氧化钠溶解于40mL去离子水中，加入0.441g五氧化二钽，超声混合20min，随后转入水热釜中进行水热反应，水热温度为120℃，水热时间为20h。水热反应后用去离子水和乙醇对反应产物进行清洗，干燥后得到钽酸钠粉体；

[0041] 步骤二、分别取1g钽酸钠粉体和质量分数为钽酸钠粉体3％的氧化石墨烯，加入50mL去离子水中，超声搅拌至两者充分混合均匀，得到悬浊液；

[0042] 步骤三、将步骤二中所述悬浊液转入旋转蒸发器中，在温度为70℃的负压条件下将溶剂完全挥发干，得到钽酸钠基复合材料。

[0043] 实施例5

[0044] 本实施例钽酸钠基复合材料的制备方法包括以下步骤：

[0045] 步骤一、将0.4g氢氧化钠溶解于40mL去离子水中，加入0.441g五氧化二钽，超声混合20min，随后转入水热釜中进行水热反应，水热温度为180℃，水热时间为4h。水热反应后用去离子水和乙醇对反应产物进行清洗，干燥后得到钽酸钠粉体；

[0046] 步骤二、分别取0.2g钽酸钠粉体和质量分数为钽酸钠粉体8％的氧化石墨烯，加入50mL去离子水中，超声搅拌至两者充分混合均匀，得到悬浊液；

[0047] 步骤三、将步骤二中所述悬浊液转入旋转蒸发器中，在温度为60℃的负压条件下将溶剂完全挥发干，得到钽酸钠基复合材料。

[0048] 实施例6

[0049] 本实施例钽酸钠基复合材料的制备方法包括以下步骤：

[0050] 步骤一、将0.32g氢氧化钠溶解于40mL去离子水中，加入0.441g五氧化二钽，超声混合20min，随后转入水热釜中进行水热反应，水热温度为180℃，水热时间为2h。水热反应后用去离子水和乙醇对反应产物进行清洗，干燥后得到钽酸钠粉体；

[0051] 步骤二、分别取0.05g钽酸钠粉体和质量分数为钽酸钠粉体8％的氧化石墨烯，加入50mL去离子水中，超声搅拌至两者充分混合均匀，得到悬浊液；

[0052] 步骤三、将步骤二中所述悬浊液转入旋转蒸发器中，在温度为60℃的负压条件下将溶剂完全挥发干，得到钽酸钠基复合材料。

[0053] 实施例7

[0054] 本实施例钽酸钠基复合材料的制备方法包括以下步骤：

[0055] 步骤一、将0.96g氢氧化钠溶解于40mL去离子水中，加入0.441g五氧化二钽，超声混合20min，随后转入水热釜中进行水热反应，水热温度为120℃，水热时间为8h。水热反应后用去离子水和乙醇对反应产物进行清洗，干燥后得到钽酸钠粉体；

[0056] 步骤二、分别取5g钽酸钠粉体和质量分数为钽酸钠粉体8％的氧化石墨烯，加入50mL去离子水中，超声搅拌至两者充分混合均匀，得到悬浊液；

[0057] 步骤三、将步骤二中所述悬浊液转入旋转蒸发器中，在温度为50℃的负压条件下将溶剂完全挥发干，得到钽酸钠基复合材料。

[0058] 对比例1

[0059] 本对比例制备的材料为钽酸钠粉体，其制备方法为：

[0060] 将0.64g氢氧化钠溶解于40mL去离子水中，加入0.441g五氧化二钽，超声混合20min，随后转入水热釜中进行水热反应，水热温度为140℃，水热时间为12h。水热反应后用去离子水和乙醇对反应产物进行清洗，干燥后得到钽酸钠粉体。

[0061] 图1所示为钽酸钠粉体的XRD图，由图1可以看出获得的粉体为钽酸钠纯相；图2所示为钽酸钠粉体的SEM图，由图2可以看出获得的粉体具有立方相貌，粒径尺寸为亚微米级，图3所示为钽酸钠粉体的UV-Vis吸收光谱，由图3可以看出钽酸钠粉体的禁带宽度约为3.6eV。

[0062] 对比例2

[0063] 本对比例钽酸钠基复合材料的制备方法包括以下步骤：

[0064] 步骤一、将0.64g氢氧化钠溶解于40mL去离子水中，加入0.441g五氧化二钽，超声混合20min，随后转入水热釜中进行水热反应，水热温度为140℃，水热时间为12h。水热反应后用去离子水和乙醇对反应产物进行清洗，干燥后得到钽酸钠粉体；

[0065] 步骤二、分别取0.5g钽酸钠粉体和质量分数为钽酸钠粉体3％的氧化石墨烯，加入50mL去离子水中，超声搅拌使两者充分混合均匀，得到悬浊液；

[0066] 步骤三、将步骤二中所述悬浊液在常压下95℃将溶剂完全挥发干，得到钽酸钠基复合材料。

[0067] 对比例3

[0068] 本对比例钽酸钠基复合材料的制备方法包括以下步骤：

[0069] 步骤一、将0.64g氢氧化钠溶解于40mL去离子水中，加入0.441g五氧化二钽，超声混合20min，随后转入水热釜中进行水热反应，水热温度为140℃，水热时间为12h。水热反应后用去离子水和乙醇对反应产物进行清洗，干燥后得到钽酸钠粉体；

[0070] 步骤二、分别取0.5g钽酸钠粉体和质量分数为钽酸钠粉体5％的氧化石墨烯，加入50mL去离子水中，超声搅拌使两者充分混合均匀，得到悬浊液；

[0071] 步骤三、将步骤二中所述悬浊液常压下95℃将溶剂完全挥发干，得到钽酸钠基复合材料。

[0072] 对比例4

[0073] 本对比例钽酸钠基复合材料的制备方法包括以下步骤：

[0074] 步骤一、将0.64g氢氧化钠溶解于40mL去离子水中，加入0.441g五氧化二钽，超声混合20min，随后转入水热釜中进行水热反应，水热温度为140℃，水热时间为12h。水热反应后用去离子水和乙醇对反应产物进行清洗，干燥后得到钽酸钠粉体；

[0075] 步骤二、分别取0.5g钽酸钠粉体和质量分数为钽酸钠粉体8％的氧化石墨烯，加入50mL去离子水中，超声搅拌使两者充分混合均匀，得到悬浊液；

[0076] 步骤三、将步骤二中所述悬浊液常压下95℃将溶剂完全挥发干，得到钽酸钠基复合材料。

[0077] 本发明钽酸钠基复合材料的应用如下：

[0078] 光催化降解染料：利用全光谱(400W碘镓灯)光照条件下，钽酸钠基复合材料对甲基橙(MO)的降解速率来评估其光催化活性。

[0079] 将100mg的钽酸钠基复合材料(实施例1-3，对比例2-4)或钽酸钠粉体(对比例1)加入100mL甲基橙去离子水溶液(10mg/L)中，在容器中暗处搅拌30min以达到吸附平衡。随后，在光照下进行光催化性能测试，光照1h后取出5mL溶液样品，将所取的溶液离心后，取上层清液使用分光光度计(Hitachi U-3010)测定吸收光谱，并根据甲基橙464nm处的特征吸收峰强度计算得到溶液中甲基橙的相对浓度。

[0080] 光催化效果如图4所示。由图4中可以看出，采用单独的钽酸钠进行光催化时，光照1h候剩余的MO比例为43％(对比例1)，采用常压下95℃烘干得到的复合材料，在不同复合比例下1h候剩余的MO比例为30％(对比例2)，24％(对比例3)，27％(对比例4)，可以看出，钽酸钠与氧化石墨烯复合后可以提高其光催化性能，且较优的复合比例为对比例3中的5％质量分数(与钽酸钠相比)的氧化石墨烯复合量。

[0081] 而采用负压下旋转蒸发60℃烘干的复合材料，在不同复合比例下1h候剩余的MO比例为15％(实施例1)，17％(实施例2)，20％(实施例3)，所有复合比例下的光催化性能均明显好于对应的常压下95℃烘干得到的复合材料，且较优的复合比例为实施例1中的3％质量分数(与钽酸钠相比)的氧化石墨烯复合量，该点也说明采用负压下旋转蒸发60℃烘干的复合材料的较优复合比例要低于常压下95℃烘干得到的复合材料，这将有利于降低氧化石墨烯的使用量，从而降低复合材料的成本。

[0082] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。