[发明专利]可见光响应型核壳结构磁性复合光催化剂及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种可见光响应型核壳结构磁性复合光催化剂及其制备方法和应用，具体涉及碳微球@铁酸锌@磷酸银的制备方法和应用，属于化工及环保工程技术领域。

背景技术

光催化氧化技术处理有机污染物具有反应条件温和、反应速度快、矿化率高、二次污染少等优势。TiO₂半导体光催化材料是目前国内外广泛研究的光催化剂，但其带隙较宽(3.2eV)，只能在紫外光(仅占太阳辐射总量4％)照射下产生光催化活性，这就大大限制了它的应用。因此，开发出能高效利用廉价太阳光的可见光响应型光催化剂，是目前光催化氧化技术领域的热点。

磷酸银(Ag₃PO₄)是近年发现的一种可见光响应型催化剂，可吸收波长小于520nm的太阳光，具有较高的量子产率和极其优越的光催化氧化活性。但在纳米Ag₃PO₄光催化体系中，光生电子易于与Ag₃PO₄晶格中Ag⁺结合，导致Ag₃PO₄表面Ag⁰的沉积，使其产生光腐蚀效应，严重影响Ag₃PO₄的光催化稳定性。此外，纳米尺寸Ag₃PO₄颗粒小，其分离回收较为困难，而制备Ag₃PO₄的材料比较昂贵，催化剂的流失必然会造成成本增加，这将大大限制其在实际工程中的推广应用。

关于Ag₃PO₄的光腐蚀缺陷，目前研究较多的是将其与其它半导体材料(如TiO₂、BiVO₃、BiPO₄、g-C₃N₄、CdS、In(OH)₃、ZnO等)复合，或者将其负载在其它载体(如石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、膨润土、羟基磷灰石、片层状双氢氧化物等)上，利用材料复合所产生的界面效应以及异质结能带理论，提高电子转移速率，减小电子-空穴复合率，亦或增加体系中光生电子的接收位点，从而减小光生电子与Ag₃PO₄晶格中解离出来的Ag⁺的结合几率，提高其光催化稳定性。核壳结构具有稳定有序的晶型以及优良的界面性质。如果将Ag₃PO₄与适当的半导体材料复合，构筑核壳结构，则可有效地提高其光催化活性和稳定性。但核壳结构的构筑过程及方法仍需探索。

对催化剂负磁是解决纳米催化剂难以分离问题最有效的手段。目前，已有报道称，将Ag₃PO₄直接负载到Fe₃O₄上，通过设置一个外加磁场可实现对光催化剂快速有效地分离回收，但由于Fe₃O₄较活泼，热稳定性较差，虽然解决了分离问题，但催化剂的稳定性问题不仅没有得到解决，反而加重。

发明内容

本发明的目的是为了克服Ag₃PO₄光催化剂难以分离、易于光腐蚀等问题，以及进一步增强Ag₃PO₄的可见光吸收能力和光催化活性，从而提供一种碳微球@铁酸锌@磷酸银(CMSs@ZnFe₂O₄@Ag₃PO₄)可见光响应型核壳结构磁性复合光催化剂。该催化剂不仅具有较强的抗光腐蚀能力，也可通过外加磁场实现催化剂的分离回收，又在一定程度上提高了光催化剂对难降解有机污染物的光催化活性。

根据本发明的第一个实施方案，提供一种可见光响应型核壳结构磁性复合光催化剂(简称“光催化剂”)，它是以碳微球(CMSs)为核，以铁酸锌(ZnFe₂O₄)为内包覆层，以磷酸银(Ag₃PO₄)为外包覆层的双层核壳结构光催化剂。