Фотокатализатор с высокой активностью и способ его получения

Номер патента: 9448

Опубликовано: 28.12.2007

Авторы: Тохдзи Казуюки, Атараси Такафуми, Кисимото Акира

Есть еще 2 страницы.

Смотреть все страницы или скачать PDF файл.

Формула / Реферат

1. Фотокатализатор в форме частиц, содержащих соединение кадмия и имеющих капсулярную структуру со средним диаметром частиц 100 нм или менее.

2. Фотокатализатор по п.1, в котором средний диаметр частиц составляет 50 нм или менее.

3. Фотокатализатор по п.1, в котором соединение кадмия представляет собой сульфид кадмия.

4. Фотокатализатор по п.1, характеризующийся тем, что несет на себе металл группы 8-11.

5. Фотокатализатор по п.4, характеризующийся тем, что металлом является платина.

6. Фотокатализатор по п.1, который имеет пору, простирающуюся от его поверхности внутрь.

7. Фотокатализатор по п.6, который имеет множество таких пор.

8. Способ получения фотокатализатора, охарактеризованного в п.1, включающий примешивание раствора соли кадмия к раствору сульфида натрия или сульфита натрия.

9. Способ по п.8, в котором солью кадмия является нитрат кадмия.

10. Способ получения фотокатализатора, охарактеризованного в п.1, включающий смешение раствора, содержащего ионы элемента группы 16, с суспензией частиц соединения кадмия размером от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров, не имеющего фотокаталитической активности.

11. Способ по п.10, в котором соединение кадмия представляет собой гидроксид кадмия.

12. Способ по п.10, в котором соединение кадмия представляет собой оксид кадмия.

13. Способ по п.10, в котором суспензию частиц соединения кадмия получают смешением раствора нитрата кадмия с раствором, содержащим гидроксид натрия.

14. Способ по п.13, в котором раствор, содержащий гидроксид натрия, содержит хлорид.

15. Способ по п.14, в котором хлоридом является хлорид натрия.

16. Способ по п.10, в котором раствор, содержащий ионы элемента группы 16, представляет собой раствор сульфида натрия.

17. Способ по п.8 или 10, включающий стадию введения металла группы 8-11 в фотокаталитические частицы.

18. Способ по п.17, в котором металлом является платина.

19. Способ по п.8 или 10, который дополнительно включает суспендирование полученных частиц фотокатализатора в растворе, содержащем сульфит натрия, и облучение светом.

20. Способ по п.19, в котором светом является видимый свет.

21. Способ по п.20, в котором светом является солнечный или псевдосолнечный свет.

 

Текст

Смотреть все

009448 Область техники, к которой относится изобретение Данное изобретение относится к фотокатализатору и способу его получения, и в частности к фотокатализатору, который имеет высокую каталитическую активность, является нетоксичным, имеет длительный срок службы, позволяет использовать видимый свет непосредственно для его фотокаталитической реакции и является особенно применимым для генерирования водорода и т.д., и к способу его получения. Предпосылки создания изобретения Производство химической энергии из солнечной энергии или использование неисчерпаемой и чистой энергии водорода является одной мечтой человечества. Практическое применение указанной энергии может решить проблему, обращенную к 21-му столетию: нагревание земли за счет углекислого газа, вызванного энергией ископаемых, и загрязнение окружающей среды кислотными дождями. Эффект Хонда-Фуджишима, опубликованный в работе А. Fujishima et al., Nature, 238, 37 (1972), был первой попыткой показать, что энергия света может быть использована для разложения воды на кислород и водород. Когда топливный кризис стал проблемой, рассматриваемой во всем мире, часть исследований была активно проведена по преобразованию энергии света в химическую энергию в соответствии с указанным принципом. Эффективность преобразования энергии света в видимой области, однако, еще должна быть улучшена. Результатом активных исследований, проведенных с 1980 по 1990 гг., является то, что было показано, что эффективность преобразования определяется рекомбинацией электронов и дырок, образованных при фотовозбуждении, когда оно имеет место перед тем, как они достигают реакционных участков для разложения воды. В соответствии с данным выводом была сделана попытка использовать интеркалированное соединение для разделения реакционных участков (S. Ikeda et al., J. Mater.Res., 13, 852 (1998. Удовлетворительная эффективность преобразования в видимой области еще не была достигнута, хотя эффективность преобразования постепенно улучшалась. Это обусловлено тем, что не было осуществлено полное разделение реакционных участков или электронов и дырок. Кроме исследований, указанных выше, были также проведены исследования реакционных систем для генерирования водорода путем использования абсорбции света ионами в растворе. В работе J. Jortheret al., J. Phys. Chem., 68, 247 (1964) показано генерирование водорода при высокой квантовой эффективности в кислотном растворе, содержащем ион иода, и в работе K. Hara et al., J. Photochem. Photobiolo.,A128, 27 (1999) - в щелочном растворе, содержащем ион серы. Все указанные реакции, однако, являются возможными при ультрафиолетовом излучении высокой энергии, имеющем длину волны 250 нм или менее. Что касается фотокаталитической технологии, ее практическое применение началось в антибактериальных пластинах, антибактериальных и дезодорантных фильтрах для воздухоочистителей и т.д. благодаря ее свойству промотировать различные химические реакции, такие как разрушение загрязнителей окружающей среды, источников неприятных запахов и бактерий. Кроме того, можно получать полезное химическое вещество при взаимодействии вредного вещества с фотокатализатором. Например, возможно применение к способу десульфуризации сырой нефти. Способ десульфуризации сырой нефти, который обычно используется в настоящее время, гидрогенизирует тяжелый бензин в процессе перегонки сырой нефти и извлекает все компоненты серы из сырой нефти в виде сульфида водорода. Он извлекает сульфид водорода при окислении серы способом, называемым способом Клауса. Способом Клауса является способ, который окисляет одну треть сульфида водорода до диоксида серы, который взаимодействует с оставшимся сульфидом водорода с образованием элементарной серы. Указанный способ требует огромной энергии, так как не только осуществляет каталитическое взаимодействие диоксида серы и сульфида водорода, но также требует повторного нагревания и конденсации. Другие его проблемы включают дорогостоящий контроль диоксида серы. Если можно осуществить способ, в котором фотокатализатор вводят в щелочную воду, содержащую сульфид водорода, растворенный в ней, и облучают ультрафиолетовым излучением, так что свободные электроны и дырки, генерированные фотокатализатором, абсорбирующим энергию ультрафиолетового излучения, могут окислять и восстанавливать щелочную воду, содержащую сульфид водорода, с получением водорода и серы, или способ, в котором сульфид водорода разлагается фотокатализатором на водород и серу, можно будет разложить сульфид водорода как вредное вещество и получить водород и серу в качестве полезных веществ с меньшим количеством энергии. Другими словами, можно будет внести вклад в решение экологической проблемы и недорого получить полезные вещества. Однако, как теперь установлено, до сих пор доступные фотокатализаторы имеют проблемы, которые необходимо решать. Во-первых, они имеют низкую каталитическую активность. Во-вторых, они являются токсичными. Они имеют низкую каталитическую активность, так как весьма вероятно, что свободные электроны и дырки, которые образуются при приложении света к фотокатализатору, могут подвергаться рекомбинации, и также весьма вероятно, что химические вещества, выделившиеся при окислительно-восстановительной реакции, могут рекомбинировать в исходное соединение. В-третьих, катализаторы имеют только короткий срок службы. Они имеют проблему растворяться светом. Свободные электроны и дырки, которые образуются при приложении света к фотокатализатору,-1 009448 дают сильную окислительно-восстановительную реакцию, при которой не только химические вещества,как предназначено, но также сам катализатор окисляется и восстанавливается, растворяется и теряет свою каталитическую активность. При указанных обстоятельствах JP-A-2001-190964 раскрывает фотокатализатор, имеющий высокую каталитическую активность, не имеющий токсичности, и имеющий длительный срок службы, и преодолевший три проблемы, как сформулировано выше.JP-A-2001-190964, однако, раскрывает только фотокатализатор, состоящий из ZnS. Так как запрещенная зона ZnS находится в ультрафиолетовой области, невозможно использовать видимый свет, такой как солнечный свет, неисчерпаемый и чистый источник энергии, непосредственно для фотокаталитической реакции. Поэтому целью настоящего изобретения является преодоление недостатков уровня техники, как указано выше, создание фотокатализатора, который имеет высокую каталитическую активность, является нетоксичным, имеет длительный срок службы, позволяет использовать видимый свет непосредственно для фотокаталитической реакции и является особенно применимым для генерирования водорода, и способа его получения. Раскрытие сущности изобретения В результате интенсивных исследований авторы изобретения способны решить вышеуказанные проблемы выбором характеристик, как представлено ниже. Следовательно, данное изобретение предлагает:(1) фотокатализатор, содержащий соединение кадмия, имеющее капсулярную структуру и имеющее средний диаметр частиц 100 нм или менее;(2) фотокатализатор по п.(1), в котором средний диаметр частиц составляет 50 нм или менее;(3) фотокатализатор по п.(1), в котором соединением кадмия является сульфид кадмия;(4) фотокатализатор по п.(1), характеризующийся тем, что несет на себе металл группы 8-11;(5) фотокатализатор по п.(4), характеризующийся тем, что металлом является платина;(6) фотокатализатор по п.(1), который имеет пору, простирающуюся от его поверхности внутрь;(7) фотокатализатор по п.(6), который имеет множество таких пор;(8) способ получения фотокатализатора, который включает добавление по каплям раствора соли кадмия в раствор соединения натрия;(9) способ получения фотокатализатора по п.(8), в котором раствор соединения натрия содержит сульфит натрия;(10) способ получения фотокатализатора по п.(8), в котором раствор соединения натрия содержит сульфид натрия;(11) способ получения фотокатализатора по п.(8), в котором солью кадмия является нитрат кадмия;(12) способ получения фотокатализатора по п.(8), который включает смешение раствора соединения натрия с суспензией частиц соединения кадмия;(13) способ получения фотокатализатора по п.(12), в котором соединением кадмия является гидроксид кадмия;(14) способ получения фотокатализатора по п.(12), в котором соединением кадмия является оксид кадмия;(15) способ получения фотокатализатора по п.(12), в котором суспензию частиц соединения кадмия получают смешением раствора нитрата кадмия с раствором, содержащим гидроксид натрия;(16) способ получения фотокатализатора по п.(15), в котором раствор, содержащий гидроксид натрия, содержит хлорид;(17) способ получения фотокатализатора по п.(16), в котором хлоридом является хлорид натрия;(18) способ получения фотокатализатора по п.(12), в котором соединением натрия является сульфид натрия;(19) способ получения фотокатализатора по п.п.(8) или (12), в котором полученные фотокаталитические частицы несут металл группы 8-11;(20) способ получения фотокатализатора по п.(19), в котором металлом является платина;(21) способ получения фотокатализатора по п.(8) или (12), который дополнительно включает суспендирование полученных частиц фотокатализатора, в растворе, содержащем сульфит натрия, и облучение светом;(22) способ получения фотокатализатора по п.(21), в котором светом является видимый свет;(23) способ получения фотокатализатора по п.(21), в котором светом является солнечный или псевдосолнечный свет. Фотокатализатор данного изобретения, который содержит соединение кадмия, позволяет использовать видимый свет, такой как солнечный свет, неисчерпаемый и чистый источник природной энергии,непосредственно для его фотокаталитической реакции, является нетоксичным и имеет длительный срок службы. Фотокатализатор, состоящий из простых частиц соединения кадмия, который до сих пор был доступен, имеет только очень низкую эффективность преобразования энергии света.-2 009448 Однако фотокатализатор данного изобретения имеет капсулярную структуру, имеющую оболочку,содержащую соединение кадмия, и полость, и предполагается, что электрическое поле, существующее между наружной и внутренней поверхностями капсулярной оболочки, содержащей соединение кадмия,делает возможным снизить рекомбинацию свободных электронов и дырок, образованных при приложении видимого света, такого как солнечный свет, и также рекомбинацию продукта окислительной реакции и продукта восстановительной реакции и поэтому обеспечивает высокую каталитическую активность. Рабочий механизм, как описано, дает возможность объекту данного изобретения иметь высокую каталитическую активность, быть нетоксичным, иметь длительный срок службы, обеспечивать использование видимого света непосредственно для его фотокаталитической реакции и быть особенно применимым для генерирования водорода. Фотокатализатор данного изобретения и способ его получения далее будут описаны подробно. Для цели настоящего изобретения соединение кадмия специально не ограничивается, если оно имеет каталитическую активность, но может быть, например, соединением состоящим из кадмия и элемента группы 16, и в частности сульфида кадмия, селенида кадмия или теллурида кадмия, хотя сульфид кадмия является наиболее подходящим. Средний диаметр частиц фотокатализатора данного изобретения, имеющего капсулярную структуру, специально не ограничивается, если он составляет 100 нм или менее, но предпочтительно он составляет 50 нм или менее, так как меньший диаметр частиц предпочтительно дает большую площадь поверхности на единицу массы и поэтому более высокую спектральную каталитическую активность. Средний диаметр частиц фотокатализатора данного изобретения, имеющего капсулярную структуру, определяется методом, описанным ниже. С помощью электронного микроскопа делают несколько микрофотографий, показывающих от нескольких до несколько десятков частиц катализатора, измеряют главные диаметры отдельных частиц и рассчитывают их среднее значение. Фотокатализатор данного изобретения предпочтительно несет на себе металл группы 8-11, чтобы иметь еще более высокую каталитическую активность. Металлом группы 8-11 является металл, выбранный среди Pt, Ru, Ir, Co, Rh, Cu, Pd и Ni или их оксида, и платина среди других является предпочтительной. Их нанесенное количество специально не ограничивается, но предпочтительно находится в интервале 0,1-10 мас.%. Количество менее 0,1 мас.% представляет проблемы снижения количества водорода, который генерируется, и снижения стабильности катализатора, тогда как количество свыше 10 мас.% представляет проблемы не только неожиданного снижения количества водорода, который генерируется, но также увеличения стоимости изготовления катализатора. Теперь будет сделано описание структуры фотокатализатора данного изобретения. Фотокатализатор согласно настоящему изобретению имеет оболочку, содержащую соединение кадмия, и полость. Оболочка фотокатализатора данного изобретения является слоистой структурой, образованной ультратонким слоем частиц соединения кадмия, имеющих диаметр частицы 1-10 нм, так что фотокатализатор, подобный фотокатализатору данного изобретения, известен также как слоистый фотокатализатор. Кроме того, оболочка, имеющая слоистую структуру в фотокатализаторе данного изобретения, вероятно, имеет структуру, в которой соотношение ее компонентов, подобно кадмию и элементу группы 16, как установлено ранее, варьируется по толщине ее слоя. В результате, предполагается, что электрическое поле, существующее по толщине ее слоя, делает возможным снизить рекомбинацию свободных электронов и дырок, образованных при приложении видимого света, такого как солнечный свет,а также рекомбинацию продукта окислительной реакции и продукта восстановительной реакции и поэтому обеспечить высокую каталитическую активность. Так как оболочка в фотокатализаторе данного изобретения является слоистой структурой, образованной ультратонким слоем частиц соединения кадмия, имеющих диаметр частиц 1-10 нм, она имеет многочисленные поры, определенные промежутками,существующими среди ультратонких частиц, и соединенные друг с другом. На фиг. 1(А) представлена микрофотография, выполненная просвечивающим электронным микроскопом, массы веществ, подобных слоям ультратонких частиц сульфида кадмия как одного типа фотокатализатора данного изобретения. На фиг. 1(В) представлена увеличенная часть фиг. 1(А). Как видно на микрофотографии, имеется капсулярная структура, образованная ультратонкими частицами CdS размером в несколько нанометров. Определение микрообластной EDX подтверждает как платину черную часть на наружной стороне одного вещества, подобного слою ультратонких частиц сульфида кадмия, как увеличено на фиг. 1(В). Хотя нет особого ограничения способа получения фотокатализатора данного изобретения, можно указать в качестве простейшего способа способ его получения растворением частиц размером от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров соединения кадмия, не имеющего фотокаталитической активности, от их поверхности, в водном растворе, содержащем ионы, подобные элементу группы 16, как указано ранее, и таким образом осаждением наночастиц размером около 1-10 нм соединения кадмия, имеющего фотокаталитическую активность, вблизи растворенных частей частиц размером от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров.-3 009448 Соединение кадмия, не имеющее фотокаталитической активности, специально не ограничивается,но предпочтительно является оксидом или гидроксидом кадмия. Водный раствор, содержащий элемент группы 16 и т.д., специально не ограничивается как-либо, но предпочтительно является раствором соединения натрия. Таким образом, можно указать способ, содержащий смешение раствора соединения натрия в суспензии частиц оксида или гидроксида кадмия, как способ получения фотокатализатора данного изобретения. Соединение натрия специально не ограничивается, но является предпочтительно сульфидом натрия. Характеристики вышеуказанного способа получения будут описаны со ссылкой в качестве примера на сульфид кадмия, который является предпочтительным типом соединения кадмия, имеющего фотокаталитическую активность. Высокодисперсные частицы оксида или гидроксида кадмия и водный раствор сульфида натрия в качестве исходных материалов смешивают, и, если смешанный раствор перемешивают, оксид или гидроксид кадмия взаимодействует с водой с образованием кадматных ионов, растворенных в водном растворе. Кадматные ионы взаимодействуют с ионами серы в водном растворе сульфида натрия и образуют сульфид кадмия. Сульфид кадмия осаждается на поверхности частиц оксида или гидроксида кадмия в качестве исходного материала и образует слой высокодисперсных частиц сульфида кадмия. При образовании слоя высокодисперсных частиц сульфида кадмия вода проникает через слой,достигает поверхности оксида или гидроксида кадмия в качестве исходного материала и взаимодействует с оксидом или гидроксидом кадмия с образованием кадматных ионов. Кадматные ионы диффундируют через слой высокодисперсных частиц сульфида кадмия, достигают его поверхности и взаимодействуют с ионами серы с образованием сульфида кадмия, который осаждается на слой высокодисперсных частиц сульфида кадмия. Рост слоя высокодисперсных частиц сульфида кадмия делает трудным диффундирование кадматных ионов через слой, что приводит к отложению сульфида кадмия, с отклонением от стехиометрического состава. Ультрафиолетовое излучение может использоваться для увеличения скорости образования слоя высокодисперсных частиц соединения кадмия (сульфида кадмия). Высокодисперсные частицы оксида или гидроксида кадмия и водный раствор сульфида натрия смешивают вместе и облучают ультрафиолетовыми лучами, так что растворение оксида или гидроксида кадмия под действием излучения может облегчить растворение кадматных ионов и таким образом ускорить рост слоя высокодисперсных частиц соединения кадмия. Также можно растворить сульфид водорода для увеличения скорости образования слоя высокодисперсных частиц соединения кадмия. Сульфид водорода может быть растворен в смешанном растворе высокодисперсных частиц оксида или гидроксида кадмия и воды с образованием слабокислотного раствора, содержащего ионы серы, для ускорения роста слоя высокодисперсных частиц соединения кадмия,так как оксид или гидроксид кадмия хорошо растворяется в слабокислотном растворе. Ультрафиолетовое излучение и растворение сульфида водорода могут быть объединены для увеличения скорости образования слоя высокодисперсных частиц соединения кадмия. Высокодисперсные частицы оксида или гидроксида кадмия, водный раствор сульфида натрия и сульфид водорода смешивают вместе, облучают ультрафиолетовыми лучами и перемешивают для дополнительного ускорения роста слоя высокодисперсных частиц соединения кадмия. Указанные способы, как описано, делают возможным получение слоя высокодисперсных частиц соединения кадмия, образующего фотокатализатор данного изобретения. В водном растворе сульфида натрия (Na2S) оксид кадмия (CdO) или гидроксид кадмия (Cd(OH)2) растворяются с поверхности частиц оксида или гидроксида кадмия с образованием кадматных ионов(CdO2-). Кадматные ионы взаимодействуют с ионами серы (S2-) в водном растворе сульфида натрия(Na2S) и образуют соединение кадмия (CdS). Соединение кадмия осаждается на поверхности оксида или гидроксида кадмия и образует слой высокодисперсных частиц соединения кадмия. При образовании слоя высокодисперсных частиц соединения кадмия вода проникает через слой, достигает поверхности оксида или гидроксида кадмия в качестве исходного материала и взаимодействует с оксидом или гидроксидом кадмия с образованием кадматных ионов. Кадматные ионы диффундируют через слой высокодисперсных частиц соединения кадмия и достигают его поверхности, противоположной той, которая обращена к частицам оксида или гидроксида кадмия, а именно его наружной поверхности. На этой поверхности кадматные ионы взаимодействуют с ионами серы и образуют соединение кадмия, которое осаждается на слой высокодисперсных частиц соединения кадмия, поэтому слой высокодисперсных частиц соединения кадмия считается растущим. Считается, что способ образования, как описано, обуславливает внутреннюю полость, образованную заполненным объемом, соответствующим части выщелоченных частиц оксида или гидроксида кадмия, с образованием кадматных ионов. Считается, что, когда один из компонентов химической реакции подается диффузией и когда реакционный продукт образует диффузионный слой, как описано, рост диффузионного слоя приводит к постепенному снижению количества одного из компонентов, который подается, и к образованию слоя, изменяющегося по химическому составу. Таким образом, считается, что слой высокодисперсных частиц-4 009448 соединения кадмия, образующий фотокатализатор данного изобретения, имеет структуру, характеризующуюся соотношением кадмия (Cd) и серы (S), изменяющимся по его толщине. Частицы соединения кадмия, не имеющего фотокаталитическую активность, которые используются в описанном выше способе получения, могут быть коммерчески доступны или могут быть получены соответствующим образом. Что касается способа получения соединения кадмия, не имеющего фотокаталитическую активность,то отсутствует специальное ограничение, но можно указать способ, в котором раствор нитрата кадмия смешивают с раствором, содержащим гидроксид натрия. Диаметр частицы получаемого фотокатализатора может соответствующим образом регулироваться в соответствии с его заданным каталитическим действием, и, что касается способа регулирования диаметра его частиц, можно указать регулирование диаметра частиц соединения кадмия, не имеющего фотокаталитическую активность. Что касается способа регулирования диаметра частиц соединения кадмия, то отсутствует специальное ограничение, но предпочтительно иметь хлорид, растворенный в растворе, содержащем гидроксид натрия, когда получаются частицы соединения кадмия. Хлорид специально не ограничивается, но им может быть, например, хлорид натрия или калия, хотя хлорид натрия является предпочтительным. В качестве другого типа способа получения фотокатализатора данного изобретения можно указать способ, в котором оболочки капсул, содержащие соединение кадмия, имеющее фотокаталитическую активность, образуются непосредственно без использования каких-либо частиц соединения кадмия, не имеющего фотокаталитическую активность. В качестве такого способа получения можно указать, например, способ, в котором раствор соли кадмия добавляют по каплям в раствор соединения натрия. Хотя функциональный механизм указанного способа не ясен, считается, что соль кадмия, добавленная по каплям в раствор соединения натрия, будет сначала образовывать микроскопическую твердую фазу гидроксида кадмия и т.д., а затем мгновенно превратится в соединение кадмия с образованием оболочек капсул фотокатализатора данного изобретения. Раствор соединения натрия предпочтительно содержит сульфит или сульфид натрия. Солью кадмия является предпочтительно нитрат кадмия. Хотя фотокатализатор данного изобретения предпочтительно несет на себе металл группы 8-11, подобно платине, как указывается выше, отсутствует специальное ограничение относительно способа его нанесения. Частицы фотокатализатора, полученные способами получения, как описано, или подобными, предпочтительно суспендируют в растворе, содержащем сульфит натрия, и подвергают действию света, чтобы иметь их увеличенную фотокаталитическую активность. Светом является предпочтительно видимый свет, такой как солнечный или псевдосолнечный свет. Нижеследующее является описанием конкретного способа получения фотокатализатора данного изобретения. Способ получения фотокатализатора согласно первому варианту Хлорид натрия растворяют в растворе гидроксида натрия, добавляют по каплям раствор нитрата кадмия и смешивают с указанным раствором, смешанный раствор перемешивают при комнатной температуре с получением суспензии частиц гидроксида кадмия, имеющей белый цвет. Раствор сульфида натрия смешивают с суспензией и смесь перемешивают. В результате получают суспензию частиц CdS. Затем раствор гексахлорплатиновой кислоты добавляют к суспензии и после перемешивания облучают ультрафиолетовым светом с использованием устройства ультрафиолетового излучения типа ртутной лампы. После ее обработки, как описано, ее фильтруют при отсасывании через нитроцеллюлозный мембранный фильтр (имеющий диаметр пор 0,2 мкм), промывают дистиллированной водой и сушат в емкости, имеющей постоянную температуру 60C. Способ получения фотокатализатора согласно второму варианту Раствор сульфида натрия и/или раствор сульфита натрия разбавляют деионизованной водой, раствор нитрата кадмия добавляют по каплям в разбавленный раствор при скорости прикапывания и перемешивают. В результате получают суспензию капсулярных CdS частиц. Затем раствор гексахлорплатиновой кислоты добавляют к суспензии и после перемешивания облучают ультрафиолетовым светом с использованием устройства ультрафиолетового излучения типа ртутной лампы. После ее обработки, как описано, ее фильтруют при отсасывании через мембранный фильтр, промывают дистиллированной водой и сушат в емкости, имеющей постоянную температуру 60C. Краткое описание чертежей На фиг. 1(А) представлена электронная микрофотография, показывающая процесс образования фотокатализатора согласно данному изобретению, и на фиг. 1(В) представлена ее увеличенная часть. На фиг. 2 представлена диаграмма, показывающая конструкцию устройства, используемого для определения количества генерируемого водорода.-5 009448 На фиг. 3 представлен график, сравнивающий фотокатализаторы данного изобретения и традиционно доступные фотокатализаторы по их способности генерировать водород. Предпочтительный вариант осуществления изобретения Настоящее изобретение будет далее описано более конкретно путем примеров, хотя они, конечно,не предназначены для ограничения объема данного изобретения. Пример 1. Способ 1 получения фотокатализатора. 4,0 г хлорида натрия растворяют в 100 мл 0,1 М раствора гидроксида натрия (раствор (1. Раствор(1) и 100 мл 0,01 М раствора нитрата кадмия смешивают и перемешивают при комнатной температуре. В результате получают суспензию частиц гидроксида кадмия, имеющую белый цвет (раствор (2. 5 мл 0,1 М раствора сульфида натрия смешивают с раствором (2). В результате получают суспензию частиц,имеющую промежуточный цвет между оранжевым и коричневым (раствор (3. 10 мл 9,6510-3 М раствора гексахлорплатиновой кислоты добавляют к раствору (3), перемешивание продолжают в течение 2 мин(раствор (4 и облучают ультрафиолетовым светом в течение 5 мин с использованием устройства ультрафиолетового излучения типа ртутной лампы (раствор (5. Раствор (5) фильтруют при отсасывании с использованием мембранного фильтра, имеющего диаметр 47 мм и диаметр пор 0,2 мкм (6). Твердое вещество, как получено по (6), с фильтром помещают в эксикатор и сушат при комнатной температуре до 60C. В результате получают остаток на фильтре,имеющий красновато-коричневый цвет (7). Частицы, как получено по (7), суспендируют в смеси 50 мл 0,1 М раствора сульфида натрия и 10 мл 1 М раствора сульфита натрия и суспензию облучают псевдосолнечным светом при использовании ксеноновой лампы 500 Вт. В результате цвет частиц меняется от красновато-коричневого до зеленовато-коричневого и генерируется водород. Суспензию фильтруют при отсасывании и полученный порошок фотокатализатора сушат фильтром. В результате получают частицы фотокатализатора, имеющие зеленовато-коричневый цвет на фильтре, и частицы катализатора весят около 110 мг и имеют диаметр частиц 46 нм. Пример 2. Способ 2 получения фотокатализатора. Повторяют пример 1, за исключением использования 100 мл 0,1 М раствора сульфита натрия вместо 100 мл 0,1 М раствора гидроксида натрия в растворе (1) согласно способу (1) получения фотокатализатора (пример 1). Частицы фотокатализатора, имеющие зеленовато-коричневый цвет, получают на фильтре,они имеют вес около 110 мг и имеют диаметр частиц 62 нм. Пример 3. Способ 3 получения фотокатализатора. 1 мл 0,1 М раствора сульфида натрия и 1 мл 0,1 М раствора сульфита натрия смешивают вместе (раствор (1. Раствор (1) разбавляют деионизованной водой до общего объема 100 мл (раствор (2. 10 мл 0,05 М раствора нитрата кадмия добавляют по каплям в раствор (2) при скорости прикапывания 13,9 мл/мин и продолжают перемешивание в течение 2 мин. В результате получают суспензию частиц, имеющую промежуточный цвет между желтым и оранжевым (раствор (3. 1,5 мл 9,6510-3 М раствора гексахлорплатиновой кислоты добавляют к раствору (3), перемешивание продолжают в течение 2 мин (раствор (4. Раствор (4) облучают ультрафиолетовым светом в течение 2 мин с использованием устройства ультрафиолетового излучения типа ртутной лампы (раствор (5. В результате получают суспензию частиц, имеющую промежуточный цвет между оранжевым и коричневым (раствор (5. Раствор (5) фильтруют при отсасывании при использовании мембранного фильтра, имеющего диаметр 47 мм и диаметр пор 0,2 мкм (6). Твердое вещество, как получено по (6), с фильтром помещают в эксикатор и сушат при комнатной температуре до 60C. В результате получают остаток на фильтре, имеющий красновато-коричневый цвет (7). Частицы, как получено по (7), суспендируют в смеси 50 мл 0,1 М раствора сульфида натрия и 10 мл 1 М раствора сульфита натрия и суспензию облучают псевдосолнечным светом при использовании ксеноновой лампы 500 Вт. В результате цвет частиц меняется от красновато-коричневого до зеленовато-коричневого и генерируется водород. Суспензию фильтруют при отсасывании и полученный порошок фотокатализатора сушат фильтром. В результате получают частицы фотокатализатора, имеющие зеленовато-коричневый цвет на фильтре, и частицы катализатора весят около 40 мг и имеют диаметр частиц 70 нм. Сравнительный пример 1. Повторяют пример 1 (включая сульфуризирующую обработку и обработку для нанесения платины),за исключением использования суспензии 100 мг CdO в качестве коммерчески доступного реагента(продукт Kou-Jundo Kagaku-Sha, имеющий диаметр частиц 300-400 нм) вместо суспензии частиц в качестве раствора (2) согласно способу 1 получения фотокатализатора (пример 1). Частицы фотокатализатора, имеющие зеленовато-коричневый цвет, получают на фильтре, они имеют вес около 110 мг и имеют диаметр частиц 355 нм. Сравнительный пример 2. 0,5 мл 0,1 М раствора сульфида натрия разбавляют деионизованной водой до общего объема 50 мл(раствор (2. Вводят и смешивают с раствором (2) 50 мл 0,01 М раствора нитрата кадмия. В результате получают суспензию частиц CdS, имеющих промежуточный цвет между оранжевым и коричневым (и имеющих первичный диаметр частиц 5 нм) (раствор (3. Повторяют стадии (4) и (5) примера 1 (обработ-6 009448 ка для нанесения платины), за исключением используемого раствора (3), и где получают частицы фотокатализатора, имеющие темно-коричневый цвет и не имеющие капсулярную структуру, на фильтре, которые имеют вес 50 мг и диаметр частиц 7 нм. Сравнительный пример 3. Повторяют сравнительный пример 2. Однако исключают стадии 4 и 5 примера 1 (обработка для нанесения платины). Получают частицы фотокатализатора, имеющие промежуточный цвет между оранжевым и коричневым, и не имеющие капсулярную структуру, на фильтре, и имеющие вес около 50 мг и диаметр частиц 6 нм. Сравнительный пример 4. Повторяют сравнительный пример 3, включающий исключение стадий обработки, для нанесения платины, за исключением использования суспензии 100 мг CdS в качестве коммерчески доступного реагента (продукт Kou-Jundo Kagaku-Sha, имеющий диаметр частиц 30-40 нм) вместо частиц CdS, полученных в соответствии со сравнительным примером 3, и получают на фильтре частицы фотокатализатора,имеющие темно-коричневый цвет и не имеющие капсулярную структуру. Частицы катализатора имеют вес около 100 мг и диаметр частиц 42 нм. Оценка катализаторов Количества водорода, генерированного частицами фотокатализатора, полученного из примеров и сравнительных примеров, представленных выше, определяют аналитическим методом, как описано ниже. Аналитический метод определения количества генерированного водорода В устройство для определения количества генерированного водорода, включающее бюретку, загружают 100 мг частиц фотокатализатора. Затем в устройство для определения количества генерированного водорода загружают 140 мл 0,1 М раствора сульфида натрия. Псевдосолнечный свет, имеющий интенсивность 50 мВт/см 2, подводят от указанного ниже устройства при использовании ксеноновой лампы 500 Вт и определяют количество генерированного водорода каждые 10 мин. Устройство, используемое для определения количества генерированного водорода, показано на фиг. 2. Устройство состоит из осветительной части, выполненной из кварцевого стекла, водородизмерительной части 2 для измерения количества генерированного водорода, резервуара для раствора 4 для хранения водного раствора 3 сульфида натрия, соответствующего по объему генерированному водородному газу и таким образом предотвращающего повышение давления водорода, 500 Вт ксеноновой лампы для испускания псевдосолнечного света, линзы L для фокусирования псевдосолнечного света 6 и отражающего зеркала 8 для отражения псевдосолнечного света 6 и облучения им фотокатализатора 7, как показано на фиг. 2. Когда начинается реакция разложения светом, вся система заполняется водным раствором 3 сульфида натрия, некоторое количество фотокатализатора 7 вынуждено осадиться на дне осветительной части 1, отверстие 9 для собирания генерированного газа закрывается и 500 Вт ксеноновая лампа включается. Количество генерированного водорода измеряется водородизмерительной частью 7 через определенные интервалы времени облучения. Результаты методов определения количеств генерированного водорода На фиг. 3 показана зависимость количества генерированного водорода от длительности облучения видимым светом. Как видно из графика, показывающего сравнение объемов, все фотокатализаторы согласно примерам данного изобретения показывают удовлетворительные результаты, как указано выше,но результаты методов по определению количеств водорода, генерированного фотокатализаторами согласно сравнительным примерам, являются все неудовлетворительными. В частности, следует отметить, что частицы фотокатализатора согласно примеру 1 показывают максимальную скорость генерирования водорода 74,8 мл/ч через 1 ч после начала облучения и общее количество 210,3 мл водорода, генерированного в течение 4 ч после начала облучения, и что частицы фотокатализатора согласно примеру 3 показывают максимальную скорость генерирования водорода 70,8 мл/ч через 1 ч после начала облучения и общее количество 189,2 мл водорода, генерированного в течение 4 ч после начала облучения. Промышленная применимость Как видно из приведенного выше описания, фотокатализатор данного изобретения имеет высокую каталитическую активность, является нетоксичным, имеет длительный срок службы, позволяет использовать видимый свет непосредственно для его фотокаталитической реакции и является применимым для генерирования водорода и т.д. Фотокатализатор данного изобретения вносит вклад в решение экологической проблемы и имеет практические преимущества, например, обеспечивая дешевое получение полезных веществ, если его используют в способе разложения сульфида водорода с получением водорода и серы. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Фотокатализатор в форме частиц, содержащих соединение кадмия и имеющих капсулярную структуру со средним диаметром частиц 100 нм или менее.-7 009448 2. Фотокатализатор по п.1, в котором средний диаметр частиц составляет 50 нм или менее. 3. Фотокатализатор по п.1, в котором соединение кадмия представляет собой сульфид кадмия. 4. Фотокатализатор по п.1, характеризующийся тем, что несет на себе металл группы 8-11. 5. Фотокатализатор по п.4, характеризующийся тем, что металлом является платина. 6. Фотокатализатор по п.1, который имеет пору, простирающуюся от его поверхности внутрь. 7. Фотокатализатор по п.6, который имеет множество таких пор. 8. Способ получения фотокатализатора, охарактеризованного в п.1, включающий примешивание раствора соли кадмия к раствору сульфида натрия или сульфита натрия. 9. Способ по п.8, в котором солью кадмия является нитрат кадмия. 10. Способ получения фотокатализатора, охарактеризованного в п.1, включающий смешение раствора, содержащего ионы элемента группы 16, с суспензией частиц соединения кадмия размером от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров, не имеющего фотокаталитической активности. 11. Способ по п.10, в котором соединение кадмия представляет собой гидроксид кадмия. 12. Способ по п.10, в котором соединение кадмия представляет собой оксид кадмия. 13. Способ по п.10, в котором суспензию частиц соединения кадмия получают смешением раствора нитрата кадмия с раствором, содержащим гидроксид натрия. 14. Способ по п.13, в котором раствор, содержащий гидроксид натрия, содержит хлорид. 15. Способ по п.14, в котором хлоридом является хлорид натрия. 16. Способ по п.10, в котором раствор, содержащий ионы элемента группы 16, представляет собой раствор сульфида натрия. 17. Способ по п.8 или 10, включающий стадию введения металла группы 8-11 в фотокаталитические частицы. 18. Способ по п.17, в котором металлом является платина. 19. Способ по п.8 или 10, который дополнительно включает суспендирование полученных частиц фотокатализатора в растворе, содержащем сульфит натрия, и облучение светом. 20. Способ по п.19, в котором светом является видимый свет. 21. Способ по п.20, в котором светом является солнечный или псевдосолнечный свет.

МПК / Метки

МПК: C01B 3/04, B01J 23/60, B01J 35/02

Метки: получения, фотокатализатор, высокой, способ, активностью

Код ссылки

<a href="http://easpatents.com/10-9448-fotokatalizator-s-vysokojj-aktivnostyu-i-sposob-ego-polucheniya.html" rel="bookmark" title="База патентов Евразийского Союза">Фотокатализатор с высокой активностью и способ его получения</a>

Похожие патенты