鈣鈦礦型復合氧化物鋁酸鑭的制備及表征

曹毛毛，嚴湘軍，楊秀麗，齊小涵

（96951 部隊，北京 100085）

鈣鈦礦型復合氧化物具有穩定的晶體結構和特殊的電、光、熱、磁性能，它為人們設計高性能的、新的光催化劑提供了更多的選擇，從而吸引了更多研究者的關注。研究者認為鈣鈦礦型復合氧化物在環境保護和污水處理方面會有較大的發展和光明的應用前景。當A位離子為半徑較大的鑭時，結構更加穩定而且具備多變性，研究前景更為廣闊[1]。鋁酸鑭（LaAlO3）屬于ABO3結構的鈣鈦礦型化合物，具有優良的微波介電性能，并且與高溫超導、BST鐵電薄膜等有良好的晶格匹配。因此，被廣泛的用作襯底材料[2]。LaAlO3單晶是當前最重要的工業化、大尺寸高溫超導薄膜基片單晶材料，與YBaCuO等高溫超導材料晶格匹配良好，微波損耗小，介電常數較低，因而適用于制作高溫超導微波電子器件[3]。其有望代替二氧化硅，用作金屬氧化物半導體場效應管器件新的柵介質[4]。本文選取LaAlO3作為研究對象，探究其光催化性能的好壞和不同表征以及它對特定染料的降解脫色效果。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及試劑

硝酸鑭、硝酸鋁、次甲基藍、無水乙醇、酸性品紅、羅丹明B。

1.2 LaAlO3的制備

分別稱取16.25g六水合硝酸鑭與18.76g九水合硝酸鋁，于250mL容量瓶中分別配制濃度為0.2mol/L的硝酸鑭溶液和硝酸鋁溶液。分別量取25mL溶液均勻混合，利用氨水將其完全沉淀。后將其離心、洗滌數次至中性，再用無水乙醇洗滌后，干燥12h，后研磨成粉，于800℃下馬弗爐中高溫焙燒2h、4h、6h，得到產物。

1.3 光催化反應過程

稱取6份0.02g LaAlO3于6支試管中，分別加入磁力攪拌子和20mL濃度為20mg/L的次甲基藍溶液，放入光催化反應儀中，1支試管為暗反應30min，其他的5支試管均為光反應，每隔30min取出一個樣品。待6支試管全部取出之后，將反應之后的溶液離心。

1.4 光降解脫硫

稱取0.02g催化劑放入試管，移取10mL模擬汽油（0.3mL噻吩）和10mL蒸餾水。放入光催化反應儀，首先暗反應30min，后開始光反應，每隔30min取一次樣品。取出樣品進行離心。取上清液用乙腈萃取，再取上層液裝入樣品瓶，在脫硫儀檢測含硫量。由式（1)

可得出光降解對模擬汽油的含硫去除率。

2 光催化劑的表征與性能分析

2.1 光催化劑的表征

2.1.1 X射線衍射分析（XRD）

XRD是分析物質晶體結構常用的技術手段。本論文采用XRD技術分析樣品的衍射圖譜，獲得其成分、內部原子或分子的結構或形態，觀察合成條件的改變對樣品物相結構的影響。

圖1 LaAlO3在不同制備條件下的XRD衍射圖譜

圖1是焙燒時間分別為2h、4h、6h時樣品的XRD衍射圖譜。由圖可知，在制備LaAlO3過程中，焙燒時間為2h時，其衍射峰最低，焙燒時間為6h時，其衍射峰最高最尖銳，結晶最為充分，它的結晶狀況最好。

2.1.2 掃描電子顯微鏡（SEM）

SEM主要利用二次電子信號成像來觀察樣品的表面形態，是觀察、分析粉末表面微觀形貌、微觀顯微結構和元素分布的常用電子顯微觀測分析技術。圖2（a）-（c）為焙燒時間為2h、4h和6h時的SEM圖。為使電鏡圖像更加清晰，對樣品進行超聲處理。

由圖2可得，LaAlO3晶體呈不規則棱形，在焙燒時間為6h時，各元素含量之比符合LaAlO3計量數之比（1:1:3），分子分散最為均勻。

圖2 LaAlO3晶體形貌圖

2.1.3 固體紫外-可見漫反射光譜（UV-Vis DRS）

圖3是LaAlO3在制備過程中不同焙燒時間下的紫外可見漫反射光譜。由圖可知，在焙燒時間為6h的條件下，光催化劑LaAlO3產生紅移，吸光度較大，對光的吸收效果最好，也就意味著其催化效率更高。

圖3 LaAlO3固體紫外光譜圖

2.2 光催化劑活性測試

2.2.1 LaAlO3降解三種染料

圖4是LaAlO3對次甲基藍、羅丹明B和酸性品紅的降解曲線。由圖4可知，LaAlO3對羅丹明B和酸性品紅降解效果都很差，幾乎沒有什么降解效果，次甲基藍相對較好，在光反應過程中降解效果較為明顯。

圖4 LaAlO3降解羅丹明B、次甲基藍和酸性品紅的效果

2.2.2 LaAlO3對次甲基藍的降解

圖5是不同焙燒時間得LaAlO3對次甲基藍的降解過程。由圖可知，光催化劑LaAlO3在焙燒時間為6h時，其對次甲基藍的降解效果最好，降解率達到80%。

圖5 LaAlO3在不同制備條件下對次甲基藍的降解曲線

2.2.3 LaAlO3降解脫硫

圖6為焙燒時間為6h的LaAlO3其光催化脫硫曲線。由圖可知，LaAlO3的脫硫效果并不是很好，將含硫物質的硫含量從188ppm降解到110ppm，脫硫率只能到達41.5%。

圖6 LaAlO3在不同制備條件下對模擬汽油的降解曲線

3 結果與討論

LaAlO3作為一種鈣鈦礦型半導體，具有較大的應用前景。本文選取其作為研究對象，采用共沉淀法制備LaAlO3，通過紫外和可見光的照射，光催化降解次甲基藍和光催化對模擬汽油進行降解，評價其催化性能。并歸納實驗結果得出以下結論：

（1）光催化劑LaAlO3由其物理表征可得，焙燒時間為6h時，其XRD衍射峰最高，而且最為尖銳；固體紫外測試中出現了紅移；它對于羅丹明B和酸性品紅的降解效果并不好，對次甲基藍的降解效果相對較好。

（2）光催化劑LaAlO3在焙燒時間為6h時，其對次甲基藍有較好的降解效果，降解率能達到80%。

（3）LaAlO3的脫硫效果并不是很好，在焙燒6h條件下，它將含硫物質的硫含量從188ppm降解到110ppm，脫硫率只能到達41.5%。