[发明专利]一种铁、氮共掺杂二氧化钛/活性炭光催化剂

说明书

技术领域

本发明属于催化剂制备领域，具体涉及一种铁、氮共掺杂二氧化钛/活性炭光催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

光催化降解技术具有常温常压下可进行，能彻底破坏有机物，没有二次污染且费用不太高等优点，被广泛应用于有机污染物降解、污水处理、空气净化等领域。

目前，使用的光催化剂主要是二氧化钛（TiO₂）/活性炭光催化剂，但其存在以下缺点：带隙较宽，只能被紫外光激发产生光催化活性，光生电子与空穴的复合率高，导致催化效率较低。因此，必须对其进行改性，改性的方法主要有金属离子掺杂，非金属离子掺杂和共掺杂。金属离子掺杂可以提高TiO₂的催化活性，非金属离子掺杂能改变TiO₂的禁带宽度，实现可见光响应，能直接利用可见光降解污染物质。但金属掺杂热稳定性差，而且增加了电子-空穴复合中心，降低了其光催化效率。非金属掺杂存在抗光蚀、抗氧化还原和耐酸耐碱性等稳定性和使用寿命的问题。共掺杂法克服了金属离子掺杂和非金属离子掺杂的不足，同时具有两者的优点。

共掺杂TiO₂/活性炭光催化剂的制备过程主要为：以活性炭为原料，采用溶胶凝胶法负载TiO₂或TiO₂前驱体及共掺杂试剂，然后再在400～500℃下进行焙烧，得到锐钛矿型TiO₂。其中，活性炭的制备需要在高温下进行活化，而TiO₂锐钛矿型的实现也需要在较高温度下进行焙烧。共掺杂TiO₂/活性炭光催化剂的制备需要进行两步热处理，提高了能耗和操作成本。

化学法成型颗粒活性炭的制备过程主要是采用化学药剂浸渍碳源材料，在热捏合过程中生成焦油等可以起到增塑，并具有粘结性能的物质，实现原料的自成型，然后再在400～500℃下进行活化，制得颗粒活性炭。

在化学法制备颗粒活性炭的成型过程中负载TiO₂或TiO₂前驱体及共掺杂试剂，然后再进行热处理，使TiO₂在实现锐钛矿型的同时实现碳源材料的活化形成活性炭，即TiO₂锐钛矿型的转变和碳源材料生成活性炭所需的热处理能量简化成一步完成，实现二氧化钛锐钛矿化的焙烧和碳源材料活化的同步进行，将有效降低能量消耗和成本。并且硝酸铁也是一种良好的活性炭助活化剂，在实现掺杂的同时，也促进活性炭的活化，使得活性炭的孔隙结构更发达，有利于对有机污染物质的吸附降解。

在专利申请号200610029285.7和200910058446.9中，主要是采用溶胶凝胶法，以活性炭和活性炭纤维为载体，负载二氧化钛前驱体及含铁的掺杂剂，再在一定温度下煅烧，制得掺铁二氧化钛/活性炭复合可见光催化剂。在专利号中201010017935.2，主要是采用溶胶凝胶法，以活性炭为载体，负载二氧化钛前驱体及含锌的掺杂剂，再在一定温度下煅烧，制得掺锌二氧化钛/活性炭复合可见光催化剂。上述两个专利均以活性炭或活性炭纤维为载体，然而在活性炭的制备过程中需要高温活化过程，增加了能耗和操作成本。另外，金属掺杂热稳定性差，而且增加了电子-空穴复合中心，不利于其光催化效率的提高。

在专利申请号201110093927.0中，介绍了一种铂、氮共掺杂活性炭负载型二氧化钛光催化剂的制备方法，主要是采用溶胶凝胶法，以活性炭为载体，首先进行氮的掺杂，再将氮掺杂的活性炭负载型TiO₂光催化剂用氯铂酸溶液浸渍，加入硼氢化钠还原后进行烘干，得到铂、氮共掺杂活性炭负载型二氧化钛光催化剂。最后，在一定温度下煅烧，制得铂、氮共掺杂活性炭负载型二氧化钛光催化剂。该工艺进行了两步掺杂，操作比较繁琐，并且活性炭的制备过程中需要高温活化过程，增加了能耗和操作成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铁、氮共掺杂二氧化钛/活性炭光催化剂及其制备方法和应用。本发明的制备方法具有降低能耗、节约操作时间、简化操作工艺、简化使用设备和降低运行成本的优点，制备出的铁、氮共掺杂二氧化钛/活性炭光催化剂具有较高的去除污染物效率和重复使用率，较好的环境相容性和均匀性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种铁、氮共掺杂二氧化钛/活性炭光催化剂的制备方法包括以下步骤：