[发明专利]一种纳米复合光催化剂材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机非金属纳米材料制备、环境保护技术与太阳能利用技术领域，尤其涉及一种基于电子捕获与存储的具有“光催化记忆效应”的全天候纳米复合光催化剂材料及其制备方法。这种纳米复合光催化剂材料可以直接用于解决太阳光下有机物的分解及微生物病原体的灭活和太阳能的高效利用的问题，特别地，通过材料设计引入的“光催化记忆效应”，使得该材料在光照关闭后仍保留一定的活性，实现了全天候的光催化，解决了光催化材料在光照关闭后失去活性的难题。

背景技术

自从1972年二氧化钛被发现在紫外光的作用下可以分解水以来，半导体材料被广泛用作光催化剂在环境修复方面。光催化半导体材料在一定波长的光的激发下，产生电子—空穴对，电子—空穴对被催化剂表面的物质所捕获，反应产生活性物种，这些活性物种具有很高的氧化还原性，能进一步与环境中的有机污染物反应，矿化为二氧化碳和无机离子。其中产生的电子—空穴对的有效分离被认为是制约光催化剂效果的一个关键步骤，电子—空穴对若不能及时被捕获分离，就会发生复合而放出热量，降低光催化剂的量子效率。

另外，光催化反应只能在有光的条件下，进行作业，这一特点也严重制约着光催化技术的发展与工业化。

长期以来，光电子的捕获被认为是减少半导体电子和空穴对复合的主要原因。因此，通过复合的手段，构建纳米复合光催化剂材料，从结构与能带匹配上引导、实现电子的捕获与存储，是光催化技术研究的一个重要方向。

发明内容

 本发明的目的在于提供一种基于电子捕获与存储的具有“光催化记忆效应”的全天候纳米复合光催化剂材料及其制备和应用。这种材料为在具有太阳光响应的半导体纳米材料基体上修饰为电子流向方且具有变价性质的纳米结构，以实现电子的捕获和存储。该纳米复合光催化剂材料具有光照记忆效应，即光催化材料一经光照后，即使光熄灭数小时后，仍显示明显的光催化效应，从而获得昼夜兼行的纳米复合光催化剂材料。该纳米复合光催化剂材料可以直接用于太阳光下有机物的降解和微生物病原体的灭活，特别地，具有“光催化记忆效应”的该纳米复合光催化剂材料在光照关闭后仍保留一定的活性，实现了全天候的光催化，解决了光催化材料在光照关闭后失去活性的难题。

本发明的技术方案是：

一种纳米复合光催化剂材料及其制备方法，该复合光催化剂为在具有太阳光响应的半导体纳米材料基体上修饰光生电子可以流向方且具有变价性质的纳米结构，以实现电子的捕获和存储，从而获得具有“光催化光催化记忆效应”的全天候纳米复合光催化剂材料。

所述的纳米复合光催化剂材料中，基体为有太阳光响应的半导体纳米材料，具体是指：具有紫外光响应的宽禁带半导体纳米材料，具有可见光响应的窄禁带半导体材料，具有太阳光局部谱和全谱响应的半导体纳米材料及掺杂半导体纳米材料。

所述的纳米复合光催化剂材料中，修饰物为光生电子流向方，而且具有变价性质的纳米结构，具体是指：能作为基体材料电子流向方的半导体纳米材料，包括半导体氧化物、半导体硫化物、掺杂半导体氧化物、掺杂半导体硫化物、钛酸盐、铋酸盐；能作为基体材料光生电子流向方的金属纳米材料，包括贵金属、过渡金属和多元金属化合物。

所述纳米复合光催化剂材料的基体与修饰物的复合方式既可以是有序的，也可以是无序的。

所述纳米复合光催化剂材料可以直接用于太阳光下有机物的降解和微生物病原体的灭活，特别地，具有“光催化记忆效应”的该纳米复合光催化剂材料在光照关闭后仍保留一定的活性，实现了全天候的光催化，解决了光催化材料在光照关闭后失去活性的难题。

所述纳米复合光催化剂材料在光照之后，通过修饰物中元素的变价，实现了电子的储存，进而实现了光催化剂的全天候作业。

所述的复合光催化剂，具体制备过程如下，

以氧化亚铜—二氧化钛纳米复合光催化剂材料为例：

1. 制备分散性较好的半导体基体氧化亚铜，首先，将0.2 g 聚乙二醇（分子量为10000）、0.5～1.0 mmol CuSO₄·5H₂O溶于100～200 mL去离子水中，然后，在磁力搅拌的作用下，将1.8～3.6 mL的40 g/L的氢氧化钠水溶液，以每秒一滴的速度滴加到上述溶液中，搅拌5 min，随后将1.8～3.6 mL的88 g/L抗坏血酸水溶液以三秒一滴的速度滴加到上述溶液中，搅拌5 min；

2. 将步骤1 中获得氧化亚铜粉末用去离子水和无水乙醇交替洗涤5次，将洗涤好的氧化亚铜粉末分散到10 mL无水乙醇中，超声分散10 min，记为溶液A。