[发明专利]一种利用WO3和稀土金属元素La对光催化剂TiO2进行改性的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用WO₃和稀土金属元素La对光催化剂TiO₂进行改性的方法，所得的光催化剂可用于环境中污染物的降解，属于光催化技术领域。

背景技术

二氧化钛（TiO₂）作为一种传统的半导体光催化剂，具有催化活性高，氧化能力强、化学性质稳定、价格低廉等优点，在光催化、空气净化、污水处理、灭菌处理、太阳能电池以及锂电池等领域具有广阔的应用前景。但是，作为光催化剂的TiO₂，其禁带宽度比较大（3.0～3.2eV），只能吸收利用波长小于400nm的紫外光，并且光生电子与空穴的复合率较高，使得光电转化效率显著降低，很大程度上限制了TiO₂在光电尤其是光催化领域的进一步应用。

纳米TiO₂光催化氧化的本质，是充当氧化还原反应的电子传递体。根据半导体的电子结构，当其吸收一个能量与其带隙能（Eg）相匹配或超过其带隙能的光子时，电子（e-）会从充满的价带跃迁至空的导带，而在价带上留下带正电的空穴（h⁺），从而形成价带空穴和导带电子。其中价带空穴是一种强氧化剂，而导带电子是一种强还原剂。因此，大多数有机物和无机物都能被光生载流子直接或间接地氧化或还原。

目前，降低TiO₂光生载流子复合率，提高其光催化性能的主要途径就是将其与其他窄带隙半导体进行复合，得到复合结构的纳米颗粒，由于这两种半导体的能带结构不同，通过匹配，则可以很好的实现光生电子与空穴的有效分离，降低载流子复合率，提高材料的催化性能，同时窄带隙导体的引入能够增强材料对可见光的吸收，进一步提高材料对光能的利用率；另一方面，复合结构还使得光子可以在材料内部经过多次反射而被逐步吸收，对于材料光电性能的提高也具有重要影响。

稀土金属元素的掺杂是提高纳米TiO₂光能利用效率的有效手段之一，把金属离子引入到TiO₂晶格中，可在其禁带中引入杂质能级，减少禁带宽度，使价带中的电子接受波长较大的光激发后，先跃迁到杂质能级，通过再一次吸收能量，由杂质能级跃迁至导带，由此降低受激发所需的能量，从而实现TiO₂光催化剂的能量利用效率。过去数十年，在TiO₂中掺杂白金族元素Pt、Pd、Rh、Ru、Ir（日本专利特开2004-73910），过渡金属元素Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ag、Cr、V、W、Sn（中国专利CN1799692A、1583252A、1792425A等），以及镧系元素La、Ce（中国专利CN1557539A）等诸多方法均有研究论文或基于研究结果的专利文献报道。这些研究成果在窄化TiO₂带隙，提高光子利用率等方面有较大进展。

WO₃具有较窄的禁带宽度（2.6～2.7eV），其能带结构与TiO₂能够实现良好的匹配，将其与TiO₂进行复合后所得到的复合材料，可以获得比单一组分（TiO₂、WO₃）材料更好的光电 或光催化性能。

中国专利CN102327783A（申请号：201110201646.2）公开提供一种制备脱硝催化剂载体TiO2-WO3复合粉的方法,包括如下步骤:原料偏钛酸经打浆分散,调整至以二氧化钛TiO2计的质量分数为15～25%的浆液浓度;向浆液中按比例加入仲钨酸铵,加入比例以三氧化钨的质量相对于二氧化钛与三氧化钨之和计算,为4.0%～10.0%;向浆液中加入氨水,调整pH值至6.5～9.0;过滤脱水后得到块状滤饼,机械破碎,破碎后的滤饼在200℃～580℃下干燥、煅烧6小时;煅烧落窑料经粉碎后,即制得用于脱硝催化剂载体的TiO2-WO3复合粉产品。本发明方法制造成本低、工艺简单,制备得到的产品具有比表面积高、表面化学活性高,催化效率高且加工性能好的优点。

中国专利CN103285868A（申请号：201310183184.5）一种光催化剂及其制备方法，特别涉及一种钒、镧、铜、锌、硅共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂及其制备方法。所述钒、镧、铜、锌、硅共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂以陶瓷为载体，以摩尔分数计，钒的掺杂量为0.5～1%，镧的掺杂量为1～1.5%，铜的掺杂量为0.5～1.1%，锌的掺杂量为0.5～1%，硅的掺杂量为10～12%，陶瓷载体的质量含量为60%。通过共掺杂大大增强光生电子－空穴的有效分离，从而提高了光催化性能。