钙钛矿型氧化物的制备与光催化性能研究进展_邓积光

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中 国 稀 土 学 报 第 24 卷
Vol .24
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专辑 pec .Issue
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2006 Jun
年6月 .2006
钙钛矿型氧化物的制备与光催化性能研究进展
邓积光 , 王国志 , 张玉娟 , 戴洪兴 , 何 洪 , 邱文革 , 訾学红
1 制备方法
制备 ABO 3 的方法大致可分为 3 种 :气相法 、
固相法和液相法 , 如表 1 所示 。气相法以金属 、 金
属化合物为原料 , 通过热源 、 电子束激发而气化或
诱导在气相中进行化学反应 , 并控制产物的凝聚 、
生长 , 从而得到 ABO3 催化剂 。该法具有目标产物
纯度高 、粒度可控等优点 , 但对制备所需设备要求
大量研究结果表明 , 金属复合氧化物的 物理 化学性质除了与金属元素种类有关外 , 还与其 粒 子形貌 、粒径尺寸及其分布 、晶体结构 、 缺陷性质 及其密度等有关 , 而这些影响因素又与它们的 制 备方法紧密相关 。因此 , 通过筛选金属复合氧化物 的制备方法 , 人们可以“剪裁” 这类材料的物 化性 质 , 从而达到 能满足某些特定功能与特定用途 之 目的 。在众多金属复合氧化物中 , 钙钛矿型氧化物 (ABO3)即为其中的一种 。在 ABO 3 结构式中 , A 是 较大的金属 (一般 为碱金 属 、 碱土 金属 和稀土 金 属)离子 , 位于体心并与 12 个氧离子配位 , 而 B 则 是较小的金属(一般为过渡金属)离子 , 位于 八面 体中心并与 6 个氧离子配位 (图 1)。为了能形成稳 定 AO 12 和 BO 6 多面体 , 要求组成元素的离子必须 满足容限因子(t ):0 .75 ≤t ≤1 .0 , 其中 t =(rA +
的加入量能将 BaTiO 3 晶粒度控制在 30 ~ 90 nm 之 间[ 22] ;向反应体系中加入氢氧化四甲基铵 , 能使所 形成的 PZT 晶体的形貌由棒状转变成立方块[ 23] 。
除了 BaTiO 3 和 PZT 之外 , 应用水热合成法还
成功 地制备出了
S
rTiO
[ 3
2Leabharlann Baidu]
,
PbTiO3[ 25 ,26] ,
钛矿晶相 , 原因是在高温灼烧过程中 Ag 2O 被还原 为金属 A g(XRD 谱图中出现 Ag 的衍射峰)[ 10] 。这
一结果说明 , 单相钙钛矿型结构的形成与掺杂 元
素的性质有关 。以 BaCO 3 和 PbO 为原料 , 采 用固
相法于 800 ℃灼烧 l2 .5 h 可制备出单相钙钛矿结 构的 BaPbO3[ 11] ;而采用改进的固相反 应法 , 即以
rO) 2(rB +rO), rA , rB , rO 分别 为 A 位 、 B 位离 子和氧离子的半径 。A 位和 B 位离子均可用 其他 离子进行同晶(部分)取代 , 从而调整改变缺 陷性 质 、缺陷密度和催化性能 。尽管大多数钙钛矿型化 合物为氧化物 , 但是一些碳化物 、 氮化物 、 卤化物 和氢化物也能形成钙钛矿型结构 。许多钙钛矿 型 化合物具有光 、 热 、 电 、磁等物理特性和活化吸附 分子 、 氧化还原等化学特性 , 因而已被广泛用作固 体电解质 、 传感器 、 高温加热材料 、 固体电阻器 、 固体燃料电池以及催化剂等 , 成为固态物理 、 材料
(北京工业大学环境与能源工程学院化学化工系 催化化学与纳米科学研究室 , 北京 100022)
摘要 :综述了近年来国内外钙钛矿型氧化物的制备方法及其影响因素 , 总结 了这类材料在 光催化降解有 机物和光 催化分解 水方面的 研究进 展 , 讨论了光催化反应机制及影响光催化活性的因素 , 并展望了今后对钙钛矿型氧化物研究与应用的发展方向 。 关键词 :钙钛矿型氧化物 ;制 备方法 ;光催化 ;有机染料降解 ;光解水制氢 ;稀土 中图分类号 :O 643 .3 文献标识码 :A 文章编号 :1000 -4343(2006)-0080 -14
较高 。
固相法是将两种或两种以上的氧化物进 行机
械研磨后 , 再 在一定温度下灼烧其混合物而得 到
ABO3 催化剂的方法 。La , N a 和 Mn 源经机械粉碎
活化后 , 在 950 ℃灼烧可得到单相钙钛矿型结构的
La0 .833Na0 M .167 nO3 , 但掺杂 Ag2O 后不能形成单相钙
液相法主要有水热合成法 、 模板剂法 、 共沉淀 法 、溶胶-凝胶法 、 微乳液法等 。 1 .1 水热合成法
该法最早是用于分子筛的 合成 。它是借助 于 高压釜中 溶剂本身产生的高压气氛 , 使合成反 应 能在较低温度(<300 ℃)下进行 , 直接制备出或经 较低温度(<800 ℃)再灼烧后形成晶体结构 。近年 来 , 人们大大地拓宽了水热合成法的应用范围 , 已 将之用于纳米或多孔钙钛矿型氧化物的制备 。
因 BaTiO 3 和PbZr1 -xO3 (PZT)具有独特的绝 缘 性 , 使其在电子 设备等领域显示出广阔的应用 前 景 , 故而引起了研究者的极大兴趣 。在水热条件下 , 强碱性 Ba2 +溶液与锐钛矿型 TiO2 在 85 ℃反应一定 时间后即可形成 BaTiO3 钙钛矿型晶体[ 15 ~ 19] 。以由醇 盐水解得到的钛和锆的复合氧化物[ 20] 或以 ZrOCl2 , Pb(NO 3)2 和TiO 2 等[ 21] 作为前驱体 , 在 150 ℃水热晶
[ 54]
-
39 ~ 50 nm
[ 64]
8 2 中 国 稀 土 学 报 24 卷
化一定时间后能得到钙钛矿结构的PbZr1 -xO 3 晶体 。
从这些 ABO3 晶体的合成研究结果 , 人们可得出粒
子尺寸及形貌的控制方法 。例如 :改变溶剂异丙醇
比较多 。以 KMnO4 和 Mn(CH2COO)2(或 MnCl2)为
Mn 源 , 采用水热法合成出了单相立方钙钛矿 La0 .5 A0 .5M oO 3(A =Sr , Ba)[ 33 , 34] , 其中 La0 .5 Sr0 .5M nO 3 纳
米线的直径和长度分别为 40 nm 和 4 μm(长径比高
NaCe1 -xNd
x
Ti
2
-yV
y
O
[ 6
27]
,
MZrO 3 (M
= Ca ,
Sr ,
Ba)[ 28 , 29]
,
NaNbO3[ 30]
,
NaTaO
[ 3
31]

KTaO3[
32]

。由
于具 有巨 磁电 阻 效应 和 优良 催 化 性能 , 人 们 对
La1 -xM xMnO 3(M =Ca , Sr , Ba)的水热合成研 究得
图 1 钙钛矿型氧化物 ABO3 晶体结构示意图
通讯联系人 (E-mail :hxdai @b jut .edu .cn) 收稿日期 :2006 -04 -10 ;修订日期 :2006 -05 -15 基金项目 :北京市教育委员会科技发展计划重点项目和北京市自然科学基金(B 类)重点项目 (KZ200610005004)以及北京市 属市管高
达 100 ∶1), 经 240 ℃ 水 热 72 h 后 得 到 的 La0 .5Ba0 .5MnO3 则是粒 径为 3 ~ 5 μm 的 立方块[ 33] 。
采用不同的锰源和水热条件 , 可得到直径为 30 ~
150 nm , 长度达几十个 μm 的 La0 .5 Ba0 .5MnO 3 纳米 线(图 2)[ 34] 。采用与文献[ 34] 相类似的水热合成法
校“ 拔尖创新人才计划” 项目 作者简介 :邓积光 (1983 -), 男 , 湖南邵阳人 , 硕博连读研究生 ;研究方向 :多相催化与纳米材料合成
专辑 邓积光等 钙钛矿 型氧化物的制备与光催化性能研究进展 8 1
粒子在催化中的应用前景[ 9] 。本文简要地介绍了钙 钛矿型氧化物的制备方法及其在光催化降解有机 物和光催化分解水等方面的应用研究状况 。
制备La1 -xBaxMnO 3 , 当水热温度升至 300 ℃时 , 即
能形成具有钙钛矿结构且呈立方块形貌的纳米粒 子(图 3)[ 35] 。显然 , 提高水热温度有利于粒子形貌
从纳米线向纳米立方块的转变 。此外 , 前驱液的碱
度对所要合成的物质的晶体结构及其形貌也有重 要影响[ 36 , 37] 。例如 , 当 KOH 浓度等于 18 mol·L -1
于 La0 .6Sr0 .4CoO 3 -x 催化剂 , 于 700 ℃灼烧 2 h 后除
了钙钛矿 晶相外还 检测到 SrCO 3 晶相 , 于 800 和 900 ℃分别灼烧 2 h 后除了钙钛矿晶相外还检测到 Sr3Co2O 6 .13 晶相 , 当灼烧温度高于 1000 ℃时则能形 成单相钙钛矿结构 的 La0 .6Sr0 .4 CoO3 -x ;对于 Sm0 .5 Sr0 .5CoO 3 -x催化剂 , 于 700 或 1100 ℃灼烧 2 h 后除 了钙钛矿晶相外还检测到少量的 Sr3Co2O6 .13 晶相 , 但在 1200 ℃灼烧 2 h 后可得到单相钙钛矿结构的 Sm0 .5Sr0 .5CoO 3 -x 。固相法的特点是 :设备简单 、 操 作方便 、成本较低 , 通过该法制备得到的稀土复合 氧化物粒 子具有机械强度高 , 较好的活性和抗 中 毒性等优 点 , 但 不同化合物的固体颗粒的混合 不 均匀 , 使得制备出的钙钛矿型氧化物的颗粒较大 、 比表面积较小等 。
聚碳酸酯模板
800
LaCrO 3
共沉淀法
600
LaCo1-x Cux O3
溶胶凝胶法
650
立方相 立方相 单斜晶 立方相 菱方
-
>100 nm
[ 14]
纳米线
直径 30~ 150 nm , 长度数十个μm
[ 34]
纳米线
直径 40 nm , 长度 4 μm
[ 33]
立方块
50 ~ 100 nm
[ 35]
化学和催化化学等领域的研究热点[ 1 ~ 7] 。 以前我们总结了国内外稀土钙钛矿型氧化 物
催化剂在一氧化碳氧化 、 甲烷氧化 、 乙烷氧化 、 氮 氧化物消除和汽车尾气净化等方面的研究进展 , 讨论了该类催化材料的结构缺陷与性能之间的关 系[ 8] 。最近我们还综述了近年来国内外稀土化合物 纳米粒子制备方法 , 讨论了一维 纳米线(棒)和 纳 米管 、 二维纳米膜及三维纳米粒子的制备过程 、 影 响因素及 其物理性质 , 分析了研发纳米粒子可 控 制备方法的重要性及不同维度的稀土化合物纳米
La1-x BaxMnO3
水热合成法 (300 ℃, 24 h) 300
La 1 -xCa xMnO3
AAO 模板法
800
LaNiO 3
AAO 模板法
650
La 0 .3 25Pr 0 .3Ca0 .375MnO3
聚碳酸酯模板 (微波辅助法)800
La 0 .3 25Pr 0 .3Ca0 .375MnO3
纳米线
直径 30 nm , 长度<1 μm
[ 44]
纳米线
直径 100 nm , 长度 50 μm
[ 43]
纳米管 、 纳米线 直径 800 nm , 长度 4 μm , 壁厚 150 nm [ 47]
纳米管
外径 800 nm , 长度 4000 nm , 厚度<100 nm [ 46]
-
15 nm
表 1 一些钙钛矿型氧化物纳米粒子的制备方法及其部分物 理性质
物质组成
制备方法
最高灼烧 晶相结构 粒子形貌
温度 ℃
粒子大小
参考 文献
LaCrO 3
机械混合法
300
La0.5Ba0.5M nO3
水热合成法 (270 ℃, 25 h) 270
La0.5A0.5M nO 3(A =Sr , Mg)水热合成法 (200 ℃, 72 h) 200
La(NO 3)·6H2O , Co(C2H3O 2)2·4H2O 和 Mn
(C2H3O2)2·4H2O 为金属源 , 在 850 ℃下灼烧 6 h 则
能得到单相钙钛矿结构的
LaCo
yMn
1
-y
O
[ 3
12]
。使用
XRD 技术跟踪 Sm0 .5 Sr0 .5 CoO 3 -x 和 La0 .6 Sr0 .4 CoO 3 -x 晶相的形成过程能得到一些很有用的信 息[ 13] :对
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