[发明专利]具有可见光催化活性的复合光催化材料及其制备方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种在可见光照射下具有高催化活性的复合光催化材料及其制备方法。

二、背景技术

自1972年Fujishima和Honda在n-型二氧化钛半导体电极上发现水的光电催化分解作用以来，二氧化钛受到人们的广泛关注。1976年Garey用二氧化钛光催化剂脱除了多氯联苯中的氯，1977年Frank光催化氧化CN^-为OCN^-，依据光激发半导体产生光生电子和空穴分离的原理来分解和矿化有机污染物，即光催化技术在环保方面的应用研究开始启动。光催化降解是一种新的处理污染物的方法，该方法具有以下优点：(1)完全矿化污染物，最终产物无毒(如CO₂和H₂O)；(2)低能耗；(3)在室温和常压下即可进行。由于具有无毒、生物和化学惰性、光稳定性等特点，锐钛型二氧化钛作为光催化材料显示出广阔的应用前景。

但是锐钛型二氧化钛作为光催化剂有它自身的缺陷性。首先，二氧化钛的光生电子—空穴极易复合，导致光量子效率降低；其次，二氧化钛的粉体在有机基体中的分散差，易团聚，使用范围受到限制；另外，二氧化钛的禁带宽度为3.2ev，对应的激发波长在387nm，属于紫外光区，而实际到达地表的太阳辐射能量集中于460～500nm波长范围，紫外成分(200～400nm)不足5％，从利用太阳能的角度出发，最经济实用的光催化剂应该能利用太阳光中丰富的可见光部分来替代昂贵的人工光源。因此，如何高效地利用自然光进行光催化反应，开发能够被可见光激发的光催化剂正日益引起人们的兴趣。近年来，人们研究了多种方法来解决以上问题，主要包括贵金属沉积，离子搀杂，半导体耦合和染料光敏化；这些方法一定程度上提高了二氧化钛的光催化活性，扩大了二氧化钛光响应范围，但并没有解决因形态的缺陷而带来的在有机介质中的应用和加工成型的困难。

三、发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种原位合成具有可见光催化活性的复合光催化材料制备方法。

本发明的目的由以下技术措施实现，其中所述原料份数除特殊说明外，均为重量份数。

原位合成具有可见光催化活性的复合光催化材料及其制备方法：首先将在100-120℃下干燥2-5小时的二氧化钛粒子1-10份，氯仿30-300份加入带有干燥管的单颈烧瓶中，经超声波充分分散后，加入0.01-0.05份共轭聚合物单体，磁力搅拌30-60分钟，再加入0.1-5份无水三氯化铁，冰浴下反应4-8小时，经过滤后得到黑色固体产物，用甲醇洗涤至甲醇无色，然后在常温下真空干燥，获得具有可见光催化活性的复合光催化材料。

所述共轭聚合物单体为噻吩及其衍生物，如噻吩、3-辛基噻吩、3-己基噻吩等；

所述二氧化钛粒子是锐钛型，纳米级的；

所述二氧化钛粒子的分散方法为超声波分散；

所述复合光催化材料适用的有效可见光波长范围为400-800nm；

所述复合光催化材料在可见光照射下能有效降解的污染物为甲基橙、苯酚、甲醛和苯等。

本发明具有如下优点：

1.复合光催化材料能吸收可见光，在可见光(400-800nm)照射下具有光催化活性，提高了催化剂对太阳光能源的利用效率，对光催化材料的实际应用和开发具有深远意义。

2.通过在无机粒子表面包裹上有机聚合物实现了无机物与有机物之间的结构与功能互补，可克服无机光催化剂在有机介质中易团聚的缺点，提高光催化剂的应用范围。

3.复合光催化材料的制备方法简单、快速、易行；利用本方法还可以制备其它无机氧化物粒子(如MgO，ZnO，SiO₂，Al₂O₃，Fe₂O₃等)与共轭聚合物(如聚噻吩，聚吡咯等)功能复合材料。

四、附图说明

图1为二氧化钛与聚噻吩/二氧化钛复合材料的红外光谱。结果显示，聚噻吩/二氧化钛复合材料的红外光谱在2800～3100cm^-1范围内的吸收峰和787.84cm^-1，470.33cm^-1处的吸收峰分别为芳环上的C-H伸缩振动吸收峰，2，5取代聚噻吩环上β位的C-H面外弯曲振动吸收峰及Ti-O-Ti的吸收峰。即在聚噻吩/二氧化钛复合材料的红外光谱上不仅有聚噻吩的特征峰还有二氧化钛的特征峰，说明该复合材料确为二氧化钛与聚噻吩的复合物。