[发明专利]三维有序大孔InVO4-BiVO4负载贵金属纳米光催化剂、制备及应用

说明书

技术领域

本发明涉及三维有序大孔InVO₄-BiVO₄负载贵金属纳米光催化剂、制备及应用，具体地说涉及在可见光照射下高效降解罗丹明B、亚甲基蓝及混合有机染料的具有三维有序大孔结构、异质结和等离子体共振效应的三相复合结构的InVO₄-BiVO₄负载贵金属(如Au、Pd、Ag等)纳米光催化剂、制备及应用，属于光响应型催化剂和纳米功能材料技术领域。

背景技术

半导体材料是光催化技术领域的研究热点。高效的半导体光催化剂不仅能够充分吸收太阳光能量并将之转化为电子(e^–)-空穴(h⁺)对，还要能够将这些载流子传递至液体与半导体接触的催化活性位点，这就要求光催化剂材料具备适宜的电子结构、活性位点分布以及几何结构等。化学成分单一且结构简单的光催化剂往往很难同时满足上述要求。为了解决这个问题，一方面，需要研发具有高比表面积(活性位点丰富)、纳米尺寸(载流子传输路径短)以及合理的光学织构和发达的孔道结构(光吸收能力高)的光催化材料的制备技术；另一方面，为了提高材料对可见光甚至近红外波段光子的吸收效率，需要研发制备禁带宽较窄的光催化剂，如通过过渡金属或非金属元素掺杂或者将有机染料分子铆定在材料表面的改性方法。大量研究还表明，具有等离子体共振效应的贵金属(如Au、Ag、Pt等)纳米颗粒与半导体材料形成的复合型光催化剂[如Au/TiO₂或Ag/N-TiO₂[S.Linic,et.al.,Nature Mater.2011,10:911]、中空立方笼状的AgAgCl[Y.X.Tang,et.al.,Adv.Funct.Mater.2013,23:2932]、Ag纳米晶包裹立方状AgCl形成的纳米杂化材料[C.H.An,et.al.,Adv.Mater.2010,22:1]、Ag纳米粒子修饰的AgX(X＝Cl,Br,I)[P.Wang,et.al.,Angew.Chem.Int.Ed.2008,47:7931]以及Ag₃VO₄/AgBr/Ag三相杂化材料[Q.Zhu,et.al.,J.Phys.Chem.C2013,117:5894]等]在多种光催化反应中显示出比其单一半导体材料高得多的反应速率[S.Linic,et.al.,Nature Mater.2011,10:911]。尽管如此，上述半导体材料所用的载体远未达到上述提到的结构设计要求。三维有序大孔(3DOM)结构是对由均一、单分散的微球按面心立方堆积形成的胶晶进行“反复制”而获得的壳状结构，它具有较高的比表面积和孔隙率(约74％)[C.W.Cheng,et.al.,Small2012,8:37]，拥有更多暴露的内表面和更为敞开的孔道结构，因此更有利于反应物分子和产物分子在其中的扩散和吸附。目前，人们也已意识到这种周期性排列的有序纳米结构(如3DOM TiO₂[E.S.Kwak,et.al.,Adv.Funct.Mater.2009,19:1093]和BiVO₄[M.Zhou,et.al.,Angew.Chem.Inter.Ed.2013,52:8579]等)在光催化领域的潜力。研究发现，光线在这种周期性排列的3D反蛋白石结构中扩散时会发生多重散射，延长其扩散路径，提高光捕获能力，产生光子能隙效应，从而促进光化学反应的进行，而且这种结构还有利于电子在其中的转移。至今为止，尚无尚无文献和专利报道过此种具有三维有序大孔结构、异质结和等离子体共振效应的三相复合结构的InVO₄-BiVO₄负载贵金属(如Au、Pd、Ag等)纳米光催化剂。

发明内容

本发明的目的在于提出一种制备新型高效可见光响应型光催化剂的设计理念，提供三维有序大孔InVO₄-BiVO₄负载贵金属纳米光催化剂和其制备方法，此催化剂同时具有3DOM结构、异质结结构以及等离子体效应，能够高效地降解罗丹明B(RhB)、亚甲基蓝(MB)或二者构成的混合有机染料。具体涉及以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球为模板的硬模板法和以聚乙烯醇(PVA)或聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)为保护剂的低温鼓泡还原法。