一种稀土元素掺杂五氧化二铌的光催化剂、制备方法及其在二氧化碳还原中的应用

本发明属纳米材料，尤其涉及一种稀土元素掺杂五氧化二铌的光催化剂、制备方法及其在二氧化碳还原中的应用。

背景技术：

1、化石燃料的燃烧会不断向大气释放二氧化碳(co2)，这除了带来全球能源短缺危机外，也对全球环境平衡构成了重大威胁。在此背景下，如何有效降低大气中的co2浓度是目前科学界的重大课题。光催化系统是将太阳能转化为化学能的一种很有前途的技术。然而，由于相互竞争的水分裂反应以及co2还原成大量具有相似还原电位的可能产物的复杂反应动力学，使得提高光催化二氧化碳还原的转化效率和选择性是一项挑战。

2、作为一种n型过渡金属氧化物，五氧化二铌（nb2o5）具有良好的化学和热稳定性、无毒性、表面酸性、高比表面积和高吸附系数。然而，nb2o5的带隙值较宽，在3.1至4.0ev之间，通常只有在紫外线（uv）照射下才能被激活。为了将nb2o5的光子吸收扩展到电磁波谱的可见光（vis）范围，非金属元素或金属元素掺杂策略可以在半导体材料的带隙之间形成一个掺杂能级，从而增加其对太阳光的利用率进而来增强光催化活性，是一个有效改性策略。申请专利（公开号：cn103084198a）公开了氮掺杂介孔五氧化二铌高效光催化剂的制备方法：1）介孔五氧化二铌的制备；2）氮掺杂介孔五氧化二铌的制备。该发明能够有效地拓展五氧化二铌光催化剂的光响应范围，显著增强光催化剂在太阳光条件下的催化活性，进一步扩大了五氧化二铌光催化剂的适用领域。氮掺杂介孔五氧化二铌高效光催化剂可以快速、有效地分解水，回收率高，无二次污染，是一种绿色的光催化剂，但不适用二氧化碳光还原。申请专利（公开号：cn115172735a）提出了一种通过溶剂热和热处理工艺，将铝掺杂到nb2o5结构中，从而大大提升其稳定快充的性能。相对的主族元素掺杂，稀土元素独特的电子结构和丰富的化学性质，稀土元素的掺杂可以显著改变材料的物理和化学性质。然而，如何发展简单制备工艺实现稀土元素的掺杂到nb2o5结构中，对增强其光吸收具有重要作用。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种稀土元素掺杂五氧化二铌的光催化剂、制备方法及其在二氧化碳还原中的应用。

2、本发明采用如下技术方案。

3、一种稀土元素掺杂五氧化二铌的光催化剂的制备方法，包括以下步骤。

4、s101，在烧杯中配制金属铌源与沉淀剂和水的混合溶液，将一定量的可溶稀土金属盐加入上述混合溶液中，混合搅拌20-30min，超声混合均匀，制得混合均匀的溶液。

5、s102，将步骤s101制得的混合均匀的溶液放入反应釜中，加热至160-240℃，持续12-36h，制得反应物，将反应物冷却至室温后，收集沉淀，然后用去离子水和无水乙醇洗涤，接着采用7000-9000r/min的转速进行离心处理，然后得到样品，在真空干燥过夜。

6、s103，将样品在大气气氛下退火，升温至400-600℃，保温，升温梯度为2-10℃/min，即可得到稀土元素掺杂五氧化二铌的光催化剂。

7、进一步地，步骤s101中所述的金属铌源包括草酸铌铵、乙醇铌、五氯化铌中的一种或多种。

8、进一步地，步骤s101中所述的沉淀剂包括六亚甲基四胺、尿素、硫脲中的一种或多种。

9、进一步地，步骤s101中所述的可溶稀土盐包括eu、pr、nd、yb、er的硝酸盐或氯化物中的一种或多种。

10、进一步地，步骤s102中所述的样品为金属纳米花状样品。

11、进一步地，步骤s102中样品在60℃下真空干燥过夜。

12、进一步地，步骤s103中保温4h。

13、本发明还提供一种稀土元素掺杂五氧化二铌的光催化剂在二氧化碳光还原中的应用。

14、与现有技术（申请号：202210884233.7）相比，本发明利用绿色溶剂水作为溶剂，只需要再空气退火即可，可以掺杂众多的稀土元素，稀土元素的掺杂造成众多的晶界错位缺陷，具有纳米花状微观结构，同时在光催化领域展示出较高的活性，积极效果如下。

15、（1）本发明可以实现甲烷的高选择性和高产率、少量的c2产物，具有一定的商业价值。

16、（2）本发明所制备的稀土元素(eu、pr、nd、yb和er)掺杂nb2o5具有纳米花状结构，且纯度高。

17、（3）本发明所要保护的技术方案工艺简单。

技术特征：

1.一种稀土元素掺杂五氧化二铌的光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的稀土元素掺杂五氧化二铌的光催化剂，其特征在于：步骤s101中所述的金属铌源包括草酸铌铵、乙醇铌、五氯化铌中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的稀土元素掺杂五氧化二铌的光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤s101中所述的沉淀剂包括六亚甲基四胺、尿素、硫脲中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的稀土元素掺杂五氧化二铌的光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤s101中所述的可溶稀土盐包括eu、pr、nd、yb、er的硝酸盐或氯化物中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的稀土元素掺杂五氧化二铌的光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤s102中所述的样品为金属纳米花状样品。

6.根据权利要求1所述的稀土元素掺杂五氧化二铌的光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤s102中样品在60℃下真空干燥过夜。

7.根据权利要求1所述的稀土元素掺杂五氧化二铌的光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤s103中保温4h。

8.一种根据权利要求1-7任一项所述方法制备的稀土元素掺杂五氧化二铌的光催化剂。

9.一种根据权利要求8所述的稀土元素掺杂五氧化二铌的光催化剂在二氧化碳光还原中的应用。

技术总结
本发明公开了一种稀土元素掺杂五氧化二铌的光催化剂、制备方法及其在二氧化碳还原中的应用。首先在烧杯中配制一定比例的铌源与沉淀剂和一定量的水中，将一定量的稀土金属硝酸盐或氯化物加入上述混合溶液中，超声混合均匀；然后转入反应釜中，水热反应一定时间，离心处理，真空干燥；最后在一定温度下退火，即可得到产品。本发明所制备得到的稀土元素掺杂Nb<subgt;2</subgt;O<subgt;5</subgt;光催化剂具有纳米花状结构，可应用于CO<subgt;2</subgt;还原，并且表现出较高的甲烷产率。

技术研发人员：耿芹,季文静,谢洪涛,李怡招,金瑞奔,董帆
受保护的技术使用者：电子科技大学长三角研究院（湖州）
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23