[发明专利]一种新型纳米异质结太阳能光催化剂的制备及应用

说明书

技术领域

本发明涉及催化剂制备技术领域，具体涉及一种具有纳米异质结构的改性TiO₂光催化剂的制备方法及应用。

背景技术

光催化氧化技术应用于环境保护与治理是一门逐步发展起来的新兴环保技术。利用半导体金属氧化物材料在光照下表面能受激活化的特性，光能可有效地氧化分解有机物、还原重金属离子、杀灭细菌和消除异味。由于光催化技术可利用太阳光或其它自然光在室温下发生反应，因此比较经济。而实际上光催化技术已经在室内空气净化、自洁净材料、超亲水性材料等方面已取得初步成功，光催化材料在环境方面应用的市场正在逐步形成。

近十年来，国内外对光催化技术寄予厚望，国内外不少公司也投入资金进行研究和商业化开发，申请了大量相关专利。虽然经过近二十年的发展，国内外在光催化技术领域的研究取得了明显成就，但是太阳能光催化材料的研制与应用上还存在着许多不足和缺陷，主要表现在：

①太阳能光催化材料的频谱响应依然偏窄。

②太阳能的光量子效率较低。

③催化剂的稳定性有待进一步地提高。

④多数工作仍然处于实验研究阶段，具有实际意义的工业化装置不多。

⑤催化剂较贵，装置的造价较高，综合运行费用还需进一步地降低。

为了提高TiO₂对太阳光的利用和光催化活性，目前较为集中的办法是通过半导体复合、离子掺杂和染料光敏化等方法对TiO₂光催化材料进行改性，不同程度地提高了TiO₂对太阳光的利用和光催化活性。但能与TiO₂有效复合的窄带隙半导体较少，且新型的窄带隙半导体基本上都采用高温固相反应合成，最后得到的催化剂比表面积较小，使其可见光催化活性偏低；而金属离子掺杂TiO₂则是利用掺杂的金属离子在TiO₂带隙内形成了杂质能级，虽然能将光响应范围拓展到可见光区，但同时又形成新的光生电子和空穴的复合中心，降低了TiO₂的催化活性；至于染料敏化方法，则是由于敏化剂在TiO₂表面易脱附和自降解，从而导致降解物无法完全矿化，同时也造成了二次污染。

本发明针对目前对TiO₂光催化剂基体改性存在的技术缺陷和不足，研制出一种具有光响应范围广、量子转换效率高、催化性能稳定的新型纳米异质结构太阳能光催化材料，并将其用于高浓度有机工业废水处理。

本发明产品研制的思路就是通过调控催化材料的微结构、价带及导带位置，缩小带隙宽度至合适位置，使光催化剂能在可见光范围内实现响应。具体地说，本发明以氨基有机酸和杂环氮化物作为改性剂，以钛醇盐为前驱体，有机醇为溶剂，采用溶胶/凝胶与微波辐照技术相结合的制备工艺，实现对半导体光催化材料基体的掺杂改性，使光催化剂分子内部存在缺陷或氧空位，产生杂质能级，进而实现响应波长的红移。本发明催化剂制备方法简单、条件温和清洁，在制备过程中不会产生二次污染。

发明内容

如前所述，本发明将在保持上述现有光催化技术优点的基础上，针对现有技术存在的不足，研制出一种用于高浓度有机工业废水处理的新型太阳能光催化材料。该新型光催化剂能对太阳能进行较好的响应，并做到对废水中的有机物进行可控降解(适度降解或矿化降解)，使太阳能光催化技术能与目前实用的各种其他污水处理技术进行较好的耦合，为高浓有机工业废水的优化处理提供一个新的实用方法。具体通过以下技术步骤实现：

(一)、将一定量前驱体、抑制剂及有机溶剂混合，搅拌均匀，得到母液。再向母液缓慢加入少量醇溶液和水，搅匀，滴加酸调节PH值，形成均匀混合液。

前驱体通常是无机或者有机钛醇盐。不同的钛醇盐会形成不同的结构，通常有单体结构、二聚物结构和三聚物结构。一般而言，单聚物比低聚物具有更小的位阻，因而具有更高的水解聚合反应活性。所述钛醇盐可以是硫酸氧钛、钛酸丁酯、异丙醇钛、四氯化钛、三氯化钛中的一种和(或)几种，优选丙醇钛。

加入抑制剂可以控制钛醇盐的水解反应，不同抑制剂对粒子外观及物理性能有不同的影响。通常采用酸作为抑制剂来调节溶胶的PH值，这样能够较好地控制凝胶时间和溶胶的状态。所述抑制剂可以是盐酸、冰醋酸、乙酰丙酮、草酸中的一种和(或)几种，优选盐酸。