[发明专利]一种可在普通节能灯作用下发生光催化反应的可见光催化剂、制备及其应用

说明书

技术领域

本发明属于光催化剂技术领域，涉及一种可在普通节能灯作用下发生光催化反应的可见光催化剂、制备及其应用。

背景技术

自1972年日本学者Fujishima和Honda发现TiO₂半导体电极光解水产生H₂以来，半导体光催化剂在光解水和催化氧化有机污染物反应方面得到了深入而广泛的研究。研究表明，半导体材料亦可显示出良好的光催化氧化作用，可有效分解甲醛、甲苯等挥发性有机化合物，在水体和大气环境污染治理以及杀菌抗病毒等方面显示出良好的应用前景。在众多半导体材料中，纳米TiO₂以其稳定、无毒、廉价、催化氧化性能强等特点而得到广泛关注，但TiO₂禁带宽度较宽，需要在波长λ﹤387.5nm的紫外光条件下展示出光催化氧化性能，而太阳光中紫外光区的能量仅占总能量的3～5％，无法有效利用占总能量43％的可见光，存在催化氧化效率低等缺点。因此如何在可见光条件下促使TiO₂发挥其光催化活性业已成为当前光催化氧化技术的核心。

目前研究的具有可见光响应的TiO₂光催化剂主要方法有离子掺杂、离子注入、复合半导体、表面贵金属沉积和染料光敏化，其中离子注入法需通过高压加速注入过渡金属离子，如藤山岛昭在文献《工业材料》，2002,50(7)，19-21上发表的文章“光触媒开发の最新动向”(藤山岛昭.光触媒开发の最新动向[J].工业材料,2002,50(7):19-21)，可不同程度的影响TiO₂的吸收光谱向可见光区移动，但该方法存在制造成本高、载流子迁移率低以及因缺陷引起的特性劣化等问题，严重影响了纳米TiO₂光催化的应用和推广；复合半导体是将纳米TiO₂与另一种窄禁带的半导体复合，不仅可以降低受激所需的能量，促使复合催化剂吸收光谱发生红移，而且可以有效促进复合半导体催化剂中光生电子和空穴的分离，提高光催化活性，如大连理工大学的李新勇报道的具有可见光效应的Cu₂O/TiO₂纳米复合光催化剂(CN101537354)，但该方法得到的催化剂吸收带向红波方向延伸小，利用可见光的效率偏低，同时某些半导体具有一定毒性，影响了其应用范围；贵金属沉积是将微量贵金属负载在TiO₂半导体上，实现光生电子和空穴的高效分离，降低了氧化还原反应的超电压，如中国专利CN1657186中公开了“贵金属稀土氧化物掺杂纳米二氧化钛改性薄膜的制备方法”，其特征是该掺杂改性的纳米TiO₂薄膜具有可见光催化氧化活性，但该方法虽在TiO₂表面沉积贵金属能显著提高某些有机物的降解速率，但沉积同样可能对某些有机物降解起抑制作用，同时存在制备成本高等缺点；将光活性化合物及光敏剂采用物理或化学的方法吸附在TiO₂表面，形成的掺杂有助于TiO₂对可见光的吸收能力的提高，促使TiO₂可见光激发，从而提高光催化活性，如中国专利文献：CN1680021，公开了酞菁敏化二氧化钛纳米粉体的水热在位制备方法，但光敏剂易发生自解，且被光敏剂占据的那部分TiO₂表面就不再具有可见光催化效能；离子掺杂可分为金属掺杂和非金属掺杂两种，金属离子的掺杂即在禁带中引入杂质能级，减少禁带宽度，使价带电子接受波长更长的光波，激发后电子线跃迁到杂质能级，通过进一步吸收能量跃迁到导带，由此降低电子跃迁激发所需的能量，实现TiO₂催化剂的可见光催化活性，如中国科学院化学研究所发表中国专利CN1600424A，掺杂有氧化铜、氧化镍、氧化钴等金属氧化物；非金属掺杂即在TiO₂中引入晶格氧空位或部分氧空位被非金属元素取代，使TiO₂禁带窄化，从而扩宽TiO₂对可见光谱的吸收，如上海交通大学的蔡伟民公开的中国专利氮(CN1555913)、碘(CN1555914)、氯(CN1555915)、氟(CN1555916)和溴(CN1556151)掺杂的TiO₂光催化剂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可在普通节能灯作用下发生光催化反应的可见光催化剂、制备及其应用。

实现本发明目的的技术方案是：