[发明专利]铁基Fe2O3纳米管在可见光催化降解染料废水中的应用

说明书

技术领域

本发明属于材料化学、环境化学和光催化技术领域，涉及一种用于可见光催化污染物的铁基Fe₂O₃纳米管垂直阵列及制备方法，还涉及其应用于废水中有机污染物可见光催化氧化降解的技术方法。

背景技术

近年来兴起的光催化环境污染物处理技术是一种新型的污染物控制技术，该技术是将光催化剂和污染物结合，利用光能作为驱动力，达到污染物的降解去除，其最大特点是工艺、操作简单，过程可控。光催化反应的关键要素是光催化剂。二氧化钛作为一种常见的光催化剂早在20世纪50年代就为人们所熟知，自从1972年日本科学家藤岛昭在Nature上报道了二氧化钛作为电极进行水的光分解效应，二氧化钛这种光催化剂就引起了更大的关注，80年代前后在世界范围内展开了着眼于二氧化钛光催化氧化有机物分解反应，但是这些研究最终都没有能够实现广泛的应用，其主要原因是因为二氧化钛的禁带宽度为3.2ev，只能利用380nm以下的近紫外线激发，虽然紫外光激发二氧化钛产生的空穴及羟基自由基具有很强的氧化性，能够将大部分有机污染物氧化分解为二氧化碳、水等无机产物，但是分布在生活空间中的光能本身十分稀薄，仅用自然光中的紫外波段收效甚微；若是利用人工光源则会有因使用光源而产生的能耗问题。为了提高光催化剂的适用性和将来有可能应用于大规模净化环境中水，大气，土壤的实用前景，如何能让可见光也能实现光催化活性成为一个具有重大意义的研究课题。

近年来国际上材料科学、纳米科学的兴起为光催化技术注入了新的活力，因为将光催化剂做成特定的形貌，结构将大大改善其性能。最著名的例子就是2001年美国科学家Grimes首次通过电子显微镜观察到了TiO₂的纳米管阵列。在含有F^-离子的电解液中阳极氧化金属Ti板可以得到制备TiO₂纳米管，有序TiO₂纳米管阵列属于典型的一维纳米结构材料，具有优越的光电转换及光催化半导体性能，与TiO₂纳米粉体相比具有更大的比表面积和更强的吸附能力。纳米管阵列结构还具有良好的光散射效应而呈现出其对光子极高的捕获效率，并且，有序结构为光生电子提供了传输通道并极大地延长了光生电子的寿命。因此，能被可见光激发的氧化物纳米管阵列薄膜有望成为未来太阳能电池、光解水制氢等清洁新能源领域应用的最有效能源转化材料之一。更加重要的是TiO₂纳米管是一个纳米级别的容器，能够在其中填装负载各种活性物质对TiO₂进行改性，这就保证了在未来TiO₂纳米管要比TiO₂纳米粉体具有更高的利用价值。但是TiO₂纳米管仍然未能摆脱TiO₂本身的半导体特性，仍然限制了其应用于大规模净化环境中水，大气，土壤的实用前景。

目前急需一种新型的成本低廉的纳米结构功能材料，其材料组成本身能够有可见光吸收响应，而且可以类似TiO₂能够构成一维的纳米管形貌。不仅可以大批量生产应用于露天使用太阳光净化环境中水，大气，土壤中污染物，而且其纳米管道结构能够填装其他活性物质，可以用于特殊场合的可见光催化化学反应，具有良好的应用前景。

在各类固体金属氧化物中，Fe₂O₃的禁带宽度只有2.1ev，能够吸收600nm的可见光，而且成本低廉；但是Fe₂O₃缺点是导电性差，电子和空穴具有极高的复合率，光催化性能一般，限制了其应用。因此，类似TiO₂纳米管，如果能将Fe₂O₃制备成具有纳米管形貌的光催化剂，将具有重要的理论意义，也能满足上述的实际应用需求。

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工艺简单，成本低廉，催化效果好的用于可见光催化污染物的Fe₂O₃纳米管电极的制备方法和将其直接应用于光催化降解染料废水的方法。