[发明专利]一种应用于太阳能降解环境污染物的光催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及属于材料化学领域，涉及一种在太阳能光谱范围内具有响应的高效、稳定的光催化剂材料。

背景技术

近年来，在众多降解环境污染物的方法中，光催化技术受到了国内外学者的广泛重视。它可以将低密度的太阳光转换为高密度的化学能、电能，直接利用太阳光降解和矿化水和空气中的各种污染物，且整个作用过程不会产生对人体和环境有害的副产品，具有“绿色”特征，因此光催化在环境净化和新能源开放方面具有着巨大的潜力。

在众多的半导体光催化剂中，TiO₂以其光催化活性高、氧化能力强、无毒、成本低而倍受青睐，是目前使用最广泛的光催化剂。但是TiO₂的能带结构决定了光催化技术在推广过程中存在着局限性。它的带隙较宽，光谱响应范围窄(Eg＝3.2eV)，只能利用在太阳光中占不足5％的紫外区域。高效地利用自然能源-太阳能来解决环境能源问题，寻求环境友好、具有良好性能的光催化剂是光催化基础研究走向应用的必然趋势。

通过在TiO₂中复合窄带隙半导体来拓宽光催化剂光吸收谱带的方法是TiO₂可见光化的一种重要手段，其具体原理可总结为不同能级半导体之间光生载流子的输运和分离。在众多复合体系中，TiO₂-CdS体系的研究最为关注。CdS是一种窄带隙半导体材料(Eg＝2.5eV)，在近期的一些研究工作中，人们尝试将CdS纳米颗粒沉积在TiO₂膜表面，光照时，CdS上受激发的电子迁移到TiO₂的导带上，空穴仍留在CdS的价带，光生电子与空穴得到有效的分离，使得体系的吸收波长向可见区拓宽。但是由于这种CdS纳米颗粒在TiO₂膜上的分散不够均匀，而很难得到较理想的光催化活性。与普通的薄膜相比，TiO₂纳米管由于其高度有序、阵列排布的特殊结构，而具有更大的比表面积、表面能、吸附能力及活性位点。选择TiO₂纳米管为载体，在管中化学组装CdS纳米颗粒，可进一步提高催化剂的光催化性能。

然而，尽管CdS光响应性好，但是其自身存在光腐蚀现象(自溶解反应)，加之环境中酸度、湿度对表面的影响，都会造成TiO₂-NT_S/CdS催化剂的失活。如何在实际环境应用中，克服酸碱度、温度、湿度等一系列复杂问题，解决催化剂的光稳定性是重要前提。因此如果能在TiO₂-NT_S/CdS表面设计一个适合材料的“盖子”，则既可以起到防止CdS不被光腐蚀的保护层作用，又可以提高光催化活性。ZnO是一种重要的半导体无机材料，其禁带宽度为对酚类有机污染物，甲基橙等染料废水具有很好的光催化氧化活性。大量文献报道，当ZnO与CdS复合时，由于能带匹配，受光激发时，导带位置较高的CdS将激发的电子传递到ZnO导带上，实现电荷分离，大大提高了光催化活性，且与普通膜相比，ZnO纳米棒因具有更大比表面积而有更高的分离效果。为此，选择ZnO作为保护层材料，通过在TiO₂-NT_S/CdS表面构筑ZnO纳米棒而最终得到一种高效、稳定的TiO₂-NT_S/CdS-ZnO太阳能光催化剂，但是目前还没有一种好的方法能制备这样的催化剂。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种在太阳能光谱范围内具有响应的高效、稳定的应用于太阳能降解环境污染物的光催化剂的制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种应用于太阳能降解环境污染物的光催化剂的制备方法，其特征在于，该方法是以金属钛基体上直立生长的TiO₂纳米管为载体，采用CdS作为敏化剂来拓宽光催化剂在可见区域的吸收谱带，且通过在TiO₂-NT_S/CdS表面构筑ZnO纳米棒作为保护层，有效防止CdS的光腐蚀，提高稳定性和光催化活性，最终得到应用于太阳能降解环境污染物的TiO₂-NT_S/CdS-ZnO微观结构光催化剂。

所述的方法具体包括以下步骤：

(1)分别配制CdCl₂和Na₂S前躯体水溶液，并加入表面活性剂；