[发明专利]铁氮氟共掺杂TiO2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，具体地涉及一种铁氮氟共掺杂TiO₂光催化剂及在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，是当今被研究最多的光催化剂。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、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、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光催化效应，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提高TiO₂可见光催化活性已成为光催化领域一个研究热点。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，光催化效果好的铁氮氟共掺杂TiO₂光催化剂及其制备方法。

本发明采用的技术方案是：铁氮氟共掺杂TiO₂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，加入硝酸铁，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，得到铁氮氟共掺杂TiO₂光催化剂。

上述的铁氮氟共掺杂TiO₂光催化剂：铁、氮和氟的掺杂量为：Fe与Ti摩尔比为1.0%～4.0%，N与Ti的摩尔比为1%～8%，F与Ti的摩尔比为1%～8%。

优选的，铁、氮和氟的掺杂量为：Fe与Ti摩尔比为3%，N与Ti的摩尔比为2%，F与Ti的摩尔比为2%。

上述的铁氮氟共掺杂TiO₂光催化剂在降解有机污染物中的应用。

采用本发明的方法制备的铁氮氟共掺杂TiO₂光催化剂在可见光照射下处理含有机污染物废水的方法如下：

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铁氮氟共掺杂TiO₂光催化剂1.0～2.5 g/L；

3）可见光功率为64～192 W，照射时间为1.0～4.0 h。

优选的上述处理含有机污染物废水的方法如下：