[发明专利]一种具有高催化效率并可回收的光催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光催化剂的制备方法，具体为一种具有高催化效率并可回收的光催化剂的制备方法。

背景技术

随着能源和环境危机的到来，利用光催化剂把太阳能转化成化学能降解或转化环境中的有害物质、制取氢能源等是实现人类社会可持续发展的重要途径。但是，限制光催化剂广泛应用的两大关键问题是：光催化效率和可回收性。

决定光催化材料的高效性主要因素是材料本身的带隙结构，它决定了材料对光子的捕获能力、电子-空穴对的形成及其氧化还原能力等。以最普遍的光催化剂TiO₂为例，它的带隙为3.2 eV，仅能吸收太阳光中的紫外光，而到达地球表面的紫外光能量不到太阳能的5%，太阳能的一半集中在了可见光（400-700 nm）范围内，所以发展吸收整个可见光谱的光催化材料是对太阳能的最有效利用。利用光催化剂降解或转化环境中的有害物质时，如果不能对光催化剂回收和再利用，就会对能源造成二次浪费和对环境造成二次污染，因而发展环境友好型和可回收的光催化材料就显得尤为重要。虽然纳米光催化材料具有更高的光催化活性和效率，但是最为重要的问题是难以回收。当前，利用磁选从产物中分离出具有磁性的纳米催化材料已经取得了长足进展，但是该种方法对于没有磁性的光催化材料的分离回收却是无效的。在保证高的光催化效率下，获取无磁性纳米光催化材料回收、防止催化材料进入到反应产物的方法就成为了光催化剂发展和大规模应用的关键。

发明内容

本发明为了解决现有光催化剂催化效率低且难以回收并再利用的问题，提供了一种具有高催化效率并可回收的光催化剂的制备方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种具有高催化效率并可回收的光催化剂的制备方法，包括如下步骤：

（1）把x克尺寸小于10-25nm的碳质颗粒或小于10个碳原子厚度的石墨烯在0.5-5mol/L的硝酸中回流1-10小时后得到碳纳米颗粒悬浮液v升；在碳纳米颗粒悬浮液中加入y克海藻酸钠激烈搅拌后得到混合液；其中：x：v=1：0.1-5，v：y=1：4-50；

（2）将a升上述混合液倒入容器中并使液面的高度为4-20 mm，在混合液的表面均匀喷洒b升0.2-5 mol/L的氯化铜或硫酸铜溶液；混合液中的海藻酸根离子遇到二价铜离子后会产生凝胶并收缩从而沿二价铜离子渗透路径形成通孔，反应1-5小时后形成带有通孔结构的海藻酸铜凝胶；其中：a：b=1：1-12；

（3）将带有通孔结构的海藻酸铜凝胶浸泡在0.2-5 mol/L的氢氧化钠或氢氧化钾溶液中1-5小时，从而将海藻酸酮凝胶中的二价铜离子析出与氢氧根离子结合形成氢氧化铜沉淀物依附于通孔结构上以便还原；接着在25-50℃恒温下对带有通孔结构的海藻酸铜凝胶表面喷洒0.05-2 mol/L的盐酸羟胺溶液或者硼氢化钠溶液，盐酸羟胺溶液或者硼氢化钠溶液将氢氧化铜沉淀物中的二价铜离子还原成一价铜离子后得到氧化亚铜，氧化亚铜会在其周围的碳纳米颗粒表面形核从而形成氧化亚铜纳米晶修饰碳纳米颗粒表面的复合结构并嫁接在通孔结构的内壁上；反应10-60 min后得到嫁接于通孔结构内壁上的氧化亚铜纳米晶修饰碳纳米颗粒表面的复合结构，即光催化剂。

用显微镜对本发明制得的嫁接于通孔结构上的光催化剂干燥前后进行观察得到如图1所示的光学照片，显示出通孔结构的孔径分布均匀。

将本发明制得的嫁接于通孔结构上的光催化剂分别放入0.5-20 mol/L的亚甲基蓝溶液和甲基橙溶液中降解亚甲基蓝和甲基橙，结果如图2所示，表明在3小时内光催化效率可达93-99%，说明光催化剂具有高效的光催化性能。

将本发明制得的嫁接于通孔结构上的光催化剂放入0.5-20 mol/L的亚甲基蓝溶液中催化降解3小时后取出再放入0.5-20 mol/L的亚甲基蓝溶液中催化降解；循环测试20次，结果如图3所示，表明光催化剂的催化效率仍可达93%以上，说明光催化剂可回收并重复利用，从而避免了对环境和产物的二次污染。

本发明具有以下有益效果：

（1）、原材料采用环境友好型的尺寸仅有几纳米的碳颗粒或石墨烯，极易获取、廉价且制备工艺简单；同时因其有广泛的光吸收和多光子吸收特征，作为光催化剂有利于使用全可见光光谱的太阳能，从而充分利用太阳能的能量。