[发明专利]一种以高岭土为基体的可见光响应TiO2催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种以高岭土为基体的可见光响应TiO₂催化剂的制备方法。

背景技术

随着人们环保意识的争强，开发可与大自然资源相结合的材料或绿色产品，以降低对环境破坏的程度，并提高生活品质已成为一大趋势。在这众多的材料中，光催化剂便是其中的一项重要的发展方向。

光催化是一项具有广阔应用前景的新型环境治理技术和新型能源技术。它具有低能耗、易操作、无二次污染等突出优点。在这些研究中，由于二氧化钛具有强大的氧化还原能力、高化学稳定性及无毒的特性，已成为研究的重心。然而TiO₂是宽禁带材料，太阳能利用效率低，通常需要用紫外光源来激发，这限制了其实际的应用。制备可见光下高活性的TiO₂是应用TiO₂光催化技术的关键课题之一，混晶的出现为提高TiO₂自身可见光活性创造了可能。目前，国内外研究中以DegussaP25为活性标准(金红石型质量分数为25％，锐钛矿型为75％，比表面积约为50m2/g)，它便是一种典型的混晶体系。另据何建波等报道，锐钛矿与金红石为7：3时的混晶光催化活性最高，其光催化活性是相同粒径锐钛矿的2～4倍。Yu等认为，锐钛矿与板钛矿的混晶可抑制光生电子和空穴的复合，适当的板钛矿含量可提高TiO₂的光催化活性。到目前为止，现有技术中报道的可见光响应TiO₂光催化剂通常要通过掺杂改性以提高可见光活性，导致其工艺复杂，成本提高。到目前为止，未见未经掺杂改性的单纯二氧化钛直接具有可见光活性的报道。本发明通过调节制备条件，并使其与高岭土相互作用，制备出了直接具有可见光活性的二氧化钛混晶。

自从1972年日本东京大学的腾导昭及其导师多本健一教授首度发现光催化原理与功效以来，二氧化钛光催化的研究一直很活跃，广泛应用于太阳能电池的开发，气体传感器，太阳能分解制氢气，污水及废水的光催化降解，光催化杀菌，自洁及防雾等。但TiO₂的禁带较宽(Eg＝3.2eV)，只能被太阳光中仅占5％左右(λ≤387.5nm)紫外光所激发。因而，提高其量子产率，拓宽TiO₂对占太阳光辐射46％的可见光的响应，从而全频利用太阳能，是TiO₂光催化材料的发展方向。有机染料的光谱敏化，贵金属的担载以及过渡金属掺杂，虽然能提高对太阳光的利用率，但也使得二氧化钛光催化膜紫外光光反应活性降低，光催化能力弱，光热稳定性变差，成本提高。Asahi等分别计算了C、N、F、P或S掺杂后TiO₂的状态密度(DDSs)，表明TiO₂阴离子掺杂后，能够使其光吸收边缘向较低能级发生移位，激发光阀值可拓展至可见光区(Science2001，293，269)。由于碳有合适的电导率，密度很低，碳可以通过适宜温度的有机碳化进入二氧化钛中，改变了可见光的吸收，从而获得良好的光催化效果。Khan等通过控制甲烷和氧气流量，在850度的火焰灼烧钛片，得到碳掺杂的二氧化钛(Science 2002，297，2243)。但是，碳掺杂的二氧化钛高温焙烧后主要是金红石的形式存在，且可能导致TiO₂纳米晶粒团聚长大。Irie等对TiC在氧气流中600度氧化退火，得到的碳掺杂氧化钛。

现有的以二氧化钛为代表的半导体光催化技术在有机污染物降解、分解水制氢、自洁净表面、抗菌陶瓷等方面显示出广阔的应用前景。半导体光催化反应的机理是通过吸收能量超过带隙对应能量的光子，光催化剂的价带电子激发生成光生空穴和电子，进而迁移到催化剂表面与吸附的有机污染物或水分子进行氧化还原反应的过程。这种方法具有能耗低、反应条件温和、操作简便等许多优点。然而目前应用较多的TiO₂等宽带隙半导体化合物仅在紫外光范围起作 用，而太阳光能量主要集中在400-700nm的可见光范围，外加紫外光源对于开放环境系统的光催化净化技术非常不利，既增加了成本同时也带来了安全问题，所以是不可行的。利用自然光降解有毒有机污染物或光解水制氢对于环保和能源开发具有重大意义。