[发明专利]一种制备不含金属的高分子聚合物光催化材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及高分子光催化材料的制备方法，具体涉及采用特定的有机单体通过加热固相聚合得到的一类新型不含金属的高分子光催化材料。

背景技术

在21世纪，人类面临的最大课题是解决能源短缺和环境污染。解决这两大问题是我国实现可持续发展和国家安全的迫切需要。而以半导体氧化物等新型光催化剂来高效利用太阳能，并将太阳能转化为化学能等清洁能源，或者直接分解环境污染物，将有可能从根本上解决能源和环境问题。我国既是当今世界经济增长最快的大国，也是当今世界环境污染最为严重的大国之一。随着工业的迅速发展, 产生了大量废水如印染废水、化工废水、医药废水、固体废物填埋场渗沥液等,这些废水排放量大、污染面广、色度高、毒性大、难以生物降解。发达国家上百年逐步出现、分阶段解决的环境污染问题，在我国20多年的快速发展中呈复合、叠加型集中产生。环境污染已经从陆地蔓延到近海水域，从地表水延伸到地下水，从一般污染物扩展到有毒、难降解有机污染物。这些有机毒物废水具有极高的生态风险性,尤其是对人体危害极大的“三致”(致癌、致畸、致突变)有机污染物,它们产生的毒性效应往往是滞后的，是人类的隐型杀手。此外，这些溶解态、难降解的有机毒物具有很强的环境积累性，不能生物降解，一般的治理污染技术很难实质上达到彻底消除污染的目的，严重地破坏了生态平衡，威胁着人类的生存环境。因此，如何使水环境中的有机污染物降解为无毒或低毒的产物已经成为世界环境科学工作者所面临的挑战性的课题。

在过去的几十年中，研究者们开发了各种各样的技术处理有机污染物废水：物理化学法-萃取法、汽提法、吸附法，萃取法存在着萃取剂流失及浓缩液的处理问题。吸附法虽然能够有效地吸附废水中的酚，但是由于活性炭的价格高、再生条件苛刻（需要电再生或者热再生等）、机械强度差、使用寿命短，导致运行成本高，且被吸附的物质难以实现资源化，因而影响了它在工业上的大规模推广应用。

生物处理法对于氯酚等较难生物降解的污染物时，不能获得满意的效果。化学法有湿法催化氧化（WCO）超临界水氧化、Fenton试剂（过氧化氢与催化剂Fe²⁺构成的氧化体系通常称为Fenton试剂）氧化催化、超临界水氧化技术由于其比较苛刻的反应条件对反应器有很大的腐蚀性, 从而造成处理成本增加，不利于大范围的应用。Fenton试剂之所以具有非常强的氧化能力，是因为过氧化氢在铁离子的存在下能生成氧化能力很强的羟基自由基（其氧化电位2.80V，仅次于氟）。该系统的优点在于过氧化氢的分解速度快，因而氧化速度也较快。文献报道可以用用Fenton试剂催化氧化酚、甲酚、氯酚、二氯酚、硝基酚等。但存在铁离子引起的二次污染以及过氧化氢用量过大等问题。

近年来，电催化技术因其处理效率高、操作简便、易实现自动化、环境兼容性好等优点而引起了研究者的注意。电催化技术是在适当的控制条件下通过电极催化产生很强的自由基，从而能有效降解有机物，克服了均相光氧化法投加氧化剂的缺陷。该方法用于处理酚浓度高的废水，可以不经稀释或中和调节等预处理而直接处理，具有很好的应用前景。但由于电极材料的基体采用Pb、Ti等，材料本身成本较高；能耗较大，阳极上存在析氧、水分解等副反应，导致电流效率低，因此要探索优越电催化性能的涂层配方；电催化过程中，传质因素决定了电极的反应速度及电流效率。目前该问题仍未得到很好地解决，这也是导致其能耗较高的原因之一。

基于半导体的多相光催化技术源于二十世纪七十年代初，是目前最引人注目的一种新型环境污染物削减技术之一，受到世界各国政府和科学界的高度重视。过去几十年中，光催化材料以无机半导体材料为主，如TiO₂、ZnO、TaON、BiVO₄等。在已经研究过的众多半导体光催化剂中，TiO₂由于性质稳定，是目前光催化研究中首选的光催化剂。但该材料同时存在制备成本高，无可见光吸收等问题，这大大限制了它的实际应用。有机高分子光催化材料由于不含金属、易制备、原料便宜，并具有可见光吸收，在近年来引起了广泛关注。2009年，研究人员发现不含金属的碳氮聚合物（C₃N₄）在可见光下具有光催化活性。但目前具有可见光活性且不含金属的高分子光催化材料主要局限于C₃N₄材料，而C₃N₄的制备过程涉及500℃以上的高温聚合，而且聚合过程有大量氨气放出。所以有必要开发新型的不含金属的高分子光催化材料，并且要求制备过程简单，绿色环保。