本發(fā)明涉及一種稀土摻雜BaTiO₃納米管陣列光催化劑及其制備方法，屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域和光催化技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

鈦酸鋇是一種典型的鈣鈦礦型鐵電體，多年來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。對鈦酸鋇納米材料的制備主要為納米晶，另外還有鈦酸鋇納米棒、薄膜等。近年來，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，這使其在光催化領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，鈦酸鋇在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用對其形貌提出了新的要求。納米管陣列結(jié)構(gòu)可以使電荷載流子擴(kuò)散路徑被拉長，克服了常規(guī)金屬氧化物光生電子和空穴易發(fā)生復(fù)合的缺點。陽極氧化鋁模板法是制備納米管陣列的常用方法，但是這種方法受到模板的限域作用，離子在模板通道內(nèi)擴(kuò)散速率慢，路徑長，反應(yīng)時間長，反應(yīng)時間過長容易導(dǎo)致模板變形、斷裂，反應(yīng)物發(fā)生水解。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種稀土摻雜BaTiO₃納米管陣列光催化劑及其制備方法，對促進(jìn)鈦酸鋇在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

實現(xiàn)本發(fā)明目的所采用的技術(shù)解決方案為：一種稀土摻雜BaTiO₃納米管陣列光催化劑的制備方法，其步驟為：

a、將50-100nm孔徑的陽極氧化鋁模板用5wt％磷酸浸泡，去除底部致密的氧化鋁阻擋層，得到雙通的多孔氧化鋁模板；并將雙通多孔氧化鋁模板裝入反應(yīng)器中間，固定，模板將反應(yīng)器隔離成兩部分形成雙室反應(yīng)器；

b、在雙室反應(yīng)器的一側(cè)按照一定的摩爾比加入Ti(OC₄H₉)₄和硝酸銀溶液；在雙室反應(yīng)器的另一側(cè)加入等濃度、等體積的硝酸鋇溶液，然后在按照與硝酸鋇一定的摩爾比加入稀土硝酸鹽溶液，兩側(cè)溶液的pH值都控制在3-6；

c、在空氣中靜置4-10小時；取出模板后在紅外燈下烘干，然后在馬弗爐中以5℃每分鐘的升溫速率升至750℃保溫1小時，進(jìn)行退火處理；

d、用2mol/L的NaOH溶液除去產(chǎn)物中多余的氧化鋁模板后得稀土摻雜鈦酸鋇納米管陣列。

其中，步驟b所述的Ti(OC₄H₉)₄和硝酸鋇溶液的濃度為0.01-0.1M，硝酸銀溶液與Ti(OC₄H₉)₄溶液的摩爾比為1:10；稀土硝酸鹽與硝酸鋇的摩爾比為(0.1-1.0):10。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點：本發(fā)明以雙通的有序多孔氧化鋁為模板，將雙通多孔氧化鋁模板豎直插入到反應(yīng)器中央并固定，使模板將反應(yīng)器隔離成相等的兩部分形成雙向反應(yīng)器，保證兩側(cè)的反應(yīng)物只通過雙通多孔氧化鋁模板相互擴(kuò)散；在雙室反應(yīng)器兩側(cè)分別通入Ti(OC₄H₉)₄和硝酸鋇，在較短的時間內(nèi)實現(xiàn)了離子在模板孔道內(nèi)的相互擴(kuò)散，防止了氧化鋁模板坍塌、斷裂。以硝酸銀作為穩(wěn)定劑，加入Ti(OC₄H₉)₄溶液，延遲凝膠化時間，得到長期穩(wěn)定的溶膠，確保反應(yīng)結(jié)束前Ti(OC₄H₉)₄以溶膠的形式存在。

另外，本發(fā)明考慮到Ti(OC₄H₉)₄和硝酸鋇在水介質(zhì)中的粘度和擴(kuò)散速率的差異容易使生成物偏離化學(xué)計量比，首次采用濃度補(bǔ)償法，在加入Ti(OC₄H₉)₄的同時加入硝酸銀溶液，控制最終產(chǎn)物實現(xiàn)理想的化學(xué)計量比，實現(xiàn)了多種陽離子在相同時間內(nèi)在孔道中的均勻擴(kuò)散，從而保證了產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能和光催化特性。

此外，鈦酸鋇納米管陣列結(jié)構(gòu)可以拉長電荷載流子的擴(kuò)散路徑，減少了光生電子和空穴復(fù)合；同時本發(fā)明利用稀土金屬與鈦酸鋇復(fù)合，構(gòu)建稀土摻雜BaTiO₃納米管陣列異質(zhì)光催化材料，提高了光生電子-空穴的分離效率。

具體實施方式

本發(fā)明下面結(jié)合實施例作進(jìn)一步詳述：

實施例1：

將100nm孔徑的陽極氧化鋁模板用5wt％磷酸浸泡，去除底部致密的氧化鋁阻擋層，得到雙通的多孔氧化鋁模板；將雙通多孔氧化鋁模板裝入反應(yīng)器中間，固定，將反應(yīng)器隔離成兩部分形成雙室反應(yīng)器；在雙室反應(yīng)器的一側(cè)加入0.1M的Ti(OC₄H₉)₄和0.01M的硝酸銀溶液；在雙室反應(yīng)器的另一側(cè)加入0.1M的硝酸鋇溶液，再加入0.005M硝酸鑭溶液，兩側(cè)溶液的pH值都控制在3-6；在空氣中靜置4-10小時；取出模板后在紅外燈下烘干，馬弗爐中以5℃每分鐘的升溫速率升至750℃保溫1小時，進(jìn)行退火處理；用2mol/L的NaOH溶液除去產(chǎn)物中多余的氧化鋁模板后得鑭摻雜鈦酸鋇納米管陣列。

實施例2：

將100nm孔徑的陽極氧化鋁模板用5wt％磷酸浸泡，去除底部致密的氧化鋁阻擋層，得到雙通的多孔氧化鋁模板；將雙通多孔氧化鋁模板裝入反應(yīng)器中間，固定，將反應(yīng)器隔離成兩部分形成雙室反應(yīng)器；在雙室反應(yīng)器的一側(cè)加入0.1M的Ti(OC₄H₉)₄和0.01M的硝酸銀溶液；在雙室反應(yīng)器的另一側(cè)加入0.1M的硝酸鋇溶液，再加入0.005M硝酸鈰溶液，兩側(cè)溶液的pH值都控制在3-6；在空氣中靜置4-10小時；取出模板后在紅外燈下烘干，在馬弗爐中以5℃每分鐘的升溫速率升至750℃保溫1小時進(jìn)行退火處理；用2mol/L的NaOH溶液除去產(chǎn)物中多余的氧化鋁模板后得鈰摻雜鈦酸鋇納米管陣列。

實施例3：

將100nm孔徑的陽極氧化鋁模板用5wt％磷酸浸泡，去除底部致密的氧化鋁阻擋層，得到雙通的多孔氧化鋁模板；將雙通多孔氧化鋁模板裝入反應(yīng)器中間，固定，將反應(yīng)器隔離成兩部分形成雙向反應(yīng)器；在雙室反應(yīng)器的一側(cè)加入0.1M的Ti(OC₄H₉)₄和0.01M的硝酸銀溶液；在雙室反應(yīng)器的另一側(cè)加入0.1M的硝酸鋇溶液，加入0.005M硝酸鐠溶液，兩側(cè)溶液的pH值都控制在3-6；在空氣中靜置4-10小時；取出模板后在紅外燈下烘干，在馬弗爐中以5℃每分的升溫速率升至750℃保溫1小時進(jìn)行退火處理；用2mol/L的NaOH溶液除去產(chǎn)物中多余的氧化鋁模板后得鐠摻雜鈦酸鋇納米管陣列。

實施例4：

將100nm孔徑的陽極氧化鋁模板用5wt％磷酸浸泡，去除底部致密的氧化鋁阻擋層，得到雙通的多孔氧化鋁模板；將雙通多孔氧化鋁模板裝入反應(yīng)器中間，固定，將反應(yīng)器隔離成兩部分形成雙向反應(yīng)器；在雙室反應(yīng)器的一側(cè)加入0.5M的Ti(OC₄H₉)₄和0.05M的硝酸銀溶液；在雙室反應(yīng)器的另一側(cè)加入0.5M的硝酸鋇溶液，加入0.005M硝酸鐠溶液，兩側(cè)溶液的pH值都控制在3-6；在空氣中靜置4-10小時；取出模板后在紅外燈下烘干，在馬弗爐中以5℃每分的升溫速率升至750℃保溫1小時進(jìn)行退火處理；用2mol/L的NaOH溶液除去產(chǎn)物中多余的氧化鋁模板后得鐠摻雜鈦酸鋇納米管陣列。

對比實施例1：

將100nm孔徑的陽極氧化鋁模板用5wt％磷酸浸泡，去除底部致密的氧化鋁阻擋層，得到雙通的多孔氧化鋁模板；將雙通多孔氧化鋁模板裝入反應(yīng)器中間，固定，將反應(yīng)器隔離成兩部分形成雙向反應(yīng)器；在雙室反應(yīng)器的一側(cè)加入0.1M的Ti(OC₄H₉)₄溶液；在雙室反應(yīng)器的另一側(cè)加入0.1M的硝酸鋇溶液，加入0.005M硝酸鐠溶液，兩側(cè)溶液的pH值都控制在3-6；在空氣中靜置4-10小時；靜置8小時后發(fā)現(xiàn)Ti(OC₄H₉)₄出現(xiàn)絮凝狀沉淀，取出模板后在紅外燈下烘干，在馬弗爐中以5℃每分鐘的升溫速率升至750℃保溫1小時進(jìn)行退火處理；用2mol/L的NaOH溶液除去產(chǎn)物中多余的氧化鋁模板后得鐠摻雜鈦酸鋇納米管陣列。將得到的稀土摻雜鈦酸鋇納米管陣列采用放電等離子體原子光譜(ICP)測定原子比例，發(fā)現(xiàn)Ba、Ti摩爾比大于1，說明部分Ti⁴⁺發(fā)生了水解，沒有完全與鋇離子發(fā)生反應(yīng)，使鈦酸鋇偏離了化學(xué)計量比，鈦酸鋇偏離化學(xué)計量比將會對產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能和光催化特性產(chǎn)生重要的影響。