[发明专利]可见光响应的金属/有机半导体光催化剂及其制备方法与应用

说明书

 技术领域

本发明涉及一种光催化剂领域，特别是涉及一种具有可见光响应的光催化剂及其制备方法和在光催化处理及反应中的应用。

 背景技术

随着现代工业的发展，人们生活水平的提高，环境污染问题已十分严重。在我国，近1/2的河流受到污染，1.64亿人饮用有机污染严重的水，室内外空气污染严重。其中难分解有毒有机污染物的比重也在急剧增加，许多有毒有机污染物无法用现有的微生物技术加以处理，或是无法彻底清除。半导体光催化作为一种绿色技术在解决环境问题方面获得了广泛的关注。半导体光催化基于以下过程发生：当入射光的能量大于或等于半导体的带隙能时受激电子从价带跃迁到导带，此事导带获得光生电子价带留下光生空穴，进阶桌光生载流子与半导体表面的底物发生氧化还原反应。在这个过程中光生载流子间的复合始终不可避免，这将导致光催化效率降低。

近年来，光催化技术取得了很大进展，许多纳米无机半导体材料，如二氧化钛、氧化锌、硫化镉以及复合半导体等都被发现能够有效地降解有机污染物，此类文献有《化学综述》杂志1995,95,69-96上发表的文章“半导体光催化的环境应用”（M. R. Hoffmann, S. T. Martin, W. Choi, D. W. Bahnemann, Environmental Application of Semiconductor Photocatalysis, Chem. Rev.）。其中二氧化钛催化剂因其具有光催化效率高，稳定性好，价格低廉等优点而受到广泛的研究与应用。但由于二氧化钛具有3.2eV的禁带宽度，使得只有波长少于385nm的紫外光才能有效地激发，而紫外光在太阳光中只占有3-5%的比例，如使用人工紫外光源则会耗费大量的电能。因此，尝试价格低廉、成本廉价的可见光或太阳光来净化空气或处理废水对环保和节能都具有极其重要的意义。如何使光催化剂具有可见光响应，可有效地被可见光激发是一个亟待解决的难题。

目前，大量的研究工作集中在基于外来元素掺杂的能带结构调控以克服上述弊端。代表文献有《物理化学》杂志1994, 98, 13669-13679上发表的文章“量子尺寸TiO₂中掺杂金属离子的作用：光催化活性与光生载流子复合动力学的相关性（Choi, W.; Termin, A.; Hoffmann, M. R. The role of metal ion dopants in quantum-sized TiO₂: Correlation between photoreactivity and charge carrier recombination dynamics. J. Phys. Chem.）。详细地研究了多种金属离子的掺杂与Ti0₂光催化活性之间的关系。他们发现光催化活性与掺杂金属离子的电子构型密切相关。在其所选的21种金属离子掺杂剂中，Fe、Mo、Ru、Os、Re、V和Rh的掺杂能显著提高TiO₂的光催化活性。这些方法虽然能够在可见光的照射下利用二氧化钛，但遗憾的是，外来元素掺杂不但会给光催化体系带来热稳定性的问题，会在掺杂半导体中引入载流子的复合中心，而且还会影响母体半导体光生载流子的氧化还原能力。一些研究人员采取了染料敏化的方法，将可以吸收可见光的染料负载在催化剂表面来有效地利用可见光，此类文献有《中国科学》杂志2002,45,421-425上发表的文章“2,4-二氯酚在敏化的半导体表面可见光催化降解”（X. Z. Li, W. Zhao, J. C. Zhao, Visibel light-sensitized semiconductor photocatalytic degradation of 2,4-dichlorophenol, Sci, China B）。将具有较小带宽的半导体（如硫化镉）负载在二氧化钛表面，此类文献有《物理化学》杂志1995, 99, 10329-10335上发表的文章“与二氧化钛键连的具有双重功能盖帽的硫化镉纳米粒子”（D. Lawless, S. Kapoor, D. Meisel, Bifunctional capping of CdS nanoparticles and binding to TiO₂, J. Phys. Chem.）。