[发明专利]碳修饰TiO2/WO3复合纳米纤维光催化剂、制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳修饰TiO₂/WO₃复合纳米纤维光催化剂，同时还涉及该光催化剂的制备方法和应用，属于纳米光催化材料技术领域。

背景技术

近年来，TiO₂在光催化降解污染物、光解水制氢气、太阳能电池等领域广泛应用。TiO₂是一种宽带半导体材料，其禁带宽度为3.0eV(金红石相)和3.2eV(锐钛矿相)。半导体的禁带宽度E_g越大，对应产生的光生电子和空穴的氧化-还原电极电势越高，半导体的氧化还原能力越强，也更容易与其他物质发生反应。然而由于TiO₂的禁带宽度大，需要较高的能量激发(如紫外光，仅占太阳光的3％～4％)，大大限制了对太阳光的利用。加之TiO₂在紫外光激发下产生的电子和空穴在到达催化剂表面之前极易在内部发生复合，光催化效率难以有效发挥。

为提高TiO₂对污染物的降解效率以及对太阳光的利用率，研究发现当两种半导体复合在一起形成异质结构时，有利于电子和空穴的分离，例如将TiO₂、WO₃复合时，由于TiO₂的导带比WO₃更负，而WO₃的价带比TiO₂更正，在紫外光激发下TiO₂的电子会转移至 WO₃上，从而提高复合催化剂的氧化还原能力和污染物降解效率。同时由于电子从价带跃迁到导带所需的能量变低，更低的能量即可激发，拓宽了TiO₂的光谱响应范围。如公告号 CN103071482A的发明专利公开了一种WO₃/TiO₂空心复合纳米管，在TiO₂纳米管的外壁和内壁分布有WO₃纳米粒子层，制备方法为：1)制备PVP/乙酸钛复合物溶液的粘性凝胶； 2)将矿物油加入凝胶中搅匀，静电纺丝法制备TiO₂纤维，再于真空下加热升温至550℃，保温10min得到TiO₂/非晶碳空心纳米管；3)再于真空下采用热蒸发法在TiO₂/非晶碳空心纳米管的内外壁生长结晶碳化钨纳米粒子，加热升温至550℃，保温120min，得到TiO₂/WO₃空心复合纳米管，该专利利用TiO₂、WO₃在光催化反应中需要的光谱不同，将二者有机结合起来形成TiO₂/WO₃异质结构，能提高对太阳光的利用率，加之WO₃纳米颗粒均布在TiO₂纳米管内外表面，大幅提高了材料的比表面积，能加快光催化反应速率。然而其制备工艺复杂，光催化能力还有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳修饰TiO₂/WO₃复合纳米纤维光催化剂，以TiO₂表面的碳层作为电子收集器，WO₃作为空穴收集器，使光生载流子有效分离，从而增强光催化性能。

同时，本发明还提供一种碳修饰TiO₂/WO₃复合纳米纤维光催化剂的制备方法。

最后，本发明再提供一种碳修饰TiO₂/WO₃复合纳米纤维光催化剂的应用。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：

碳修饰TiO₂/WO₃复合纳米纤维光催化剂，其制备步骤如下：

1)将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、钨酸铵、钛酸四丁酯(钛酸丁酯)加入乙醇与乙酸的混合液中，混匀后静电纺丝，得到纳米纤维毡；

2)取纳米纤维毡煅烧，得到TiO₂/WO₃纳米纤维；

3)将TiO₂/WO₃纳米纤维、葡萄糖、水加入反应釜中，水热反应后过滤、洗涤、干燥，即得。

步骤1)中乙醇与乙酸的体积比为8～12:4～8，二者均为分析纯，作溶剂使用。

步骤1)中钨酸铵与钛酸四丁酯的质量比为0.05～0.15:0.5～2，钨酸铵在混合液中的质量浓度为2％～7％。