[发明专利]铈氮氟共掺杂二氧化钛光催化剂及在可见光降解有机污染物中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及二氧化钛光催化剂及其应用，具体地涉及一种铈氮氟共掺杂二氧化钛光催化剂的制备及其在有效利用可见光降解有机污染物中的应用。

背景技术

TiO₂因具有化学性质稳定、催化活性高、成本低、无毒等优点而倍受人们青睐，是当今最受欢迎的光催化剂。其应用范围极其广泛，在污水处理、空气净化、灭菌消毒、皮革工业和化妆品等领域有着巨大的潜在应用价值。它不仅可以使光能转化为化学能，而且可以实现光催化氧化水体和空气中的绝大多数有机污染物，包括染料、表面活性剂和农药等各种难生物降解的有毒有机污染物，降解最终产物为CO₂，H₂O和其它无机离子。近年来，已发现废水中有3000多种难降解的有机污染物，可通过纳米TiO₂ 的光催化作用使其降解为CO₂ ，H₂O和无毒的氧化物。

但是TiO₂光催化技术面临着量子产率低和太阳能利用率低两大难题。TiO₂是一种宽禁带的半导体，带隙能为3.2 eV，相当于波长为387.5 nm光子的能量。只有波长小于387.5 nm 的紫外光激发才会使其产生具有很强氧化和还原能力的空穴(h⁺)和电子(e^-)。这些h⁺和e^-与OH^?或H₂O结合会产生氧化性很强的·OH自由基，使许多化学反应发生。而太阳光中，紫外光部分所占的能量只有2%-4%，因此通过表面修饰等方法改善TiO₂的可见光催化活性已成为光催化领域的研究热点。近些年来，大部分国内外的研究者都在努力提高TiO₂的光催化活性。

水资源是人类、资源与环境三大系统的结合点，是一切生命活动的物质基础，在社会经济发展中有着举足轻重的地位。随着人类的发展和社会的进步，人们越来越深切地认识到水资源保护对经济社会发展的重要性。由于我国染料工业的快速稳步发展，印染行业已成为工业废水的排放大户。据不完全统计，我国每天排放的印染废水约为300～400万吨，年排放量约为6. 5亿吨。同发达国家相比，我国纺织印染业的单位耗水量是发达国家的1.5～2.0倍，单位排污总量是发达国家的1.2～1.8倍。随着水资源危机的加剧，如何合理而有效地处理废水，使其变废为宝，是环境保护和综合利用能源的重要研究课题。 

发明内容

本发明的目的是为了扩大TiO₂的可见光响应范围，减小电子和空穴的复合，从而提高TiO₂对太阳能的利用率，提高其可见光催化活性，因此本发明对TiO₂表面进行修饰，提供一种在可见光作用下，光催化效果好的铈氮氟共掺杂二氧化钛光催化剂及其制备方法。

本发明采用的技术方案是：铈氮氟共掺杂二氧化钛光催化剂，其制备方法如下：将钛酸丁酯在搅拌下缓慢滴入乙醇和冰乙酸混合溶液中，搅拌均匀后，逐滴加入氢氟酸溶液，搅拌形成透明混合溶液A；将氨水与乙醇混合，加入硝酸铈，调节pH至2，配成溶液B；将溶液B缓慢滴入溶液A中，得到均匀透明溶胶；在空气中放置陈化，得到固体凝胶；干燥后研磨成粉末，置于马弗炉中400～500℃，焙烧40 min～1.5 h，得到铈氮氟共掺杂二氧化钛光催化剂。

上述的铈氮氟共掺杂二氧化钛光催化剂：铈、氮和氟的掺杂量为：Ce与Ti摩尔比为0.05%～0.2%，N与Ti的摩尔比为1%～8%，F与Ti的摩尔比为1%～8%。

优化的铈、氮和氟的掺杂量分别为：Ce与Ti摩尔比为0.05%，N与Ti的摩尔比为2%，F与Ti的摩尔比为2%。

上述的铈氮氟共掺杂二氧化钛光催化剂在可见光降解有机污染物中的应用。

采用本发明的方法制备的铈氮氟共掺杂二氧化钛光催化剂在可见光照射下处理含有机污染物的废水的方法如下：

1）调节有机污染物的浓度为5.0～25.0 mg/L，pH为5～6；

2）加入上述方法制备的铈氮氟共掺杂二氧化钛光催化剂1.0～2.5 g/L；

3）可见光功率为64～192W，照射时间为1.0～4.0 h。

优选的上述处理含有机污染物的废水的方法如下：

1）调节有机污染物的浓度为10.0 mg/L，pH为5.7；

2）加入上述方法制备的铈氮氟共掺杂二氧化钛光催化剂2.0 g/L；