[发明专利]一种对可见光有响应的光催化剂及其制备方法

说明书

技术领域：

本发明属于纳米光催化剂的制备技术领域。尤其涉及一种对可见光有响应的以炼钢炼铁炉渣为原料的光催化剂及其制备方法。

背景技术：

光催化氧化法处理废水具有广泛的应用前景，光催化剂经紫外光照产生的羟自由基(·OH)几乎可与任何有机污染物反应，并将其彻底氧化成无污染的二氧化碳、水和矿物盐，该法不仅可以克服生物处理法难以降解染料、农药、医药等废水中环状分子结构有毒污染物的缺点，还避免了絮凝、沉淀法仅能去除不溶性、溶胶性污染物的局限性及一般化学氧化法作用的不彻底性。光催化氧化技术能在常温常压下进行，彻底破坏有机物，没有二次污染，是最有希望治理污染环境的催化新技术之一。

光催化剂是影响光催化氧化效果的关键因素，在众多的纳米半导体催化材料中，纳米TiO₂具有化学性质稳定、催化效率高、无毒无害等优点，因而成为应用最广的光催化剂。二氧化钛光催化剂的制备方式包括气相法、液相法以及溶胶-凝胶法，然而上述方法均是以四氯化钛或钛的醇盐等昂贵的化学药剂为原料通过一定工艺制成(蔡登科，喻剑辉，文习山，蓝磊，张志强.纳米TiO₂的制备及其在水处理应用方面的发展[J].华东电力，2003，7：49-51)，制备过程复杂，而且制得的催化剂活性较差，对可见光利用率低，成本高。

因此，如何使光催化剂在可见光范围内有响应以及如何提高光催化剂活性，成为当今光催化技术领域研究的重点。

国外学者针对上述问题已经进行了各种尝试，包括将金属离子如Cr、V、Mn、Fe、或Ni离子沉积到催化剂中的方法和将不同物质的离子掺入催化剂中的方法等(专利号02801196.1)，以提高光催化剂的可见光响应，但所制得的光催化剂活性可能因电子和空穴的复合而下降，因此在工业上并未得到应用。在国内，具有可见光活性的光催化剂及其利用(CN97181439.2)公开了一种通过在等离子体中用甲烷和氢的混合气对二氧化钛进行CVD处理获得能够利用可见光的光催化剂，但制备方法复杂且活性不高。

通过在纳米TiO₂表面沉积Ag，Au，Pt，Pd，Nb(戴红.贵金属合金催化剂的应用[J].贵金属，1999，20(1)：58～61)；以及通过采用光化学沉淀法(魏宏斌等.水溶液中腐殖酸的二氧化钛膜光催化氧化研究[J].环境科学学报，1998，18(2)：161)，将Ag和Pt沉积在TiO₂膜上的方法在一定程度上提高了催化剂的活性以及扩大了吸收波长的范围。但贵金属表面沉积法成本太高且难以保证贵金属在纳米TiO₂的表面均匀沉积。

高炉渣是冶炼钢铁时产生的废渣，20世纪70年代以前，一直作为工业废弃物堆放。随着工业的发展，我国工业废渣的年排放量已达5.6亿吨，其中高炉渣的年排放量在3000万吨左右，且高炉渣的堆积量将日益增大。

资料显示含钛高炉渣具有较高的光催化活性，将含钛高炉渣磨细至平均粒度达1～2μm，并在一定温度和气氛下处理后，与水玻璃混合负载于玻璃片上可作为光催化剂使用。(刘卯，薛向欣等。含钛高炉渣光催化降解邻硝基酚的实验研究[J].材料导报，2006.1(20)：140-142)但是将废弃的含钛高炉渣直接用作光催化剂，催化效率较差。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种制备工艺简单，成本低廉，催化活性好，相对于其它光催化剂更易于工业化应用、对400～800nm可见光有较强响应的光催化剂及其制备方法。

为实现上述任务，本发明所采用的技术方案是：将炉渣与65wt％的浓硝酸按质量比为1∶1～1∶2溶合，反应至不再有黄色烟雾NO₂产生，加水搅拌，静置5～20min，取上层液体，即得水热反应前驱物；

将水热反应前驱物用NaOH或KOH溶液调整pH＝9～12，转入高压反应釜内，填充度为60％～80％，将反应釜内温度控制在120℃～180℃，反应2～3h，冷却后过滤，用蒸馏水或自来水洗涤2～3次，过滤后将滤渣在100～140℃下烘干、磨细。

其中：炉渣的主要化学成分是，TFe为3.71～38.08wt％、Al₂O₃为7.24～16.08wt％、CaO为31.03～40.34wt％、MgO为4.52～9.78wt％、TiO₂为0.98～14.20wt％、SiO₂为14.14～22.83wt％，粒度为20～120目；高压反应釜的内衬为耐酸耐高压材料。