[发明专利]光催化剂及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及光催化技术领域，具体而言，涉及光催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

目前，二氧化钛(TiO₂)因其稳定、无毒、无二次污染、高化学稳定性、高光催化活性且制备成本低廉等优点，已成为应用最为广泛的光催化剂之一。但是，由于二氧化钛禁带宽度(3.0-3.2eV)过宽，决定了其只能吸收利用小于等于387.5nm紫外光或太阳光中的紫外线部分，对太阳光的利用率只有3％-5％；另外，光激发的电子和空穴在传递过程中不断复合造成其量子效率低，令其难以应用在高浓度的废气和废水处理过程。

对此，国内外学者进行了大量的研究对二氧化钛光催化剂进行改性以提高其量子效率、扩展其光吸收范围至可见光区域。目前常用的方法有离子掺杂、贵金属沉积以及半导体复合等。

石墨相碳化氮(g-C₃N₄)作为一种非金属n型半导体，具有较窄的禁带宽度(2.7eV)，其最大吸收波长约为460nm，在可见光区域有较好的吸收性，相对于标准氢电极(Normal Hydrogen Electrode，NHE)，其具有更负的导带电位(-1.12eV)，同时还具有灵活的结构以及化学稳定性强等优势。虽然在可见光区域具有很好的光响应，但其光催化活性受限于光生电子-空穴对复合率高和价带氧化能力低等。

将二氧化钛与石墨相碳化氮复合制成的二氧化钛/石墨相碳化氮(TiO₂/g-C₃N₄)复合材料，能够同时解决二氧化钛和石墨相碳化氮各自在光催化过程中存在的问题，可以进一步提升光催化活性。但是，现有技术中的二氧化钛/石墨相碳化氮复合材料中二氧化钛和石墨相碳化氮之间界面结合力弱，二氧化钛/石墨相碳化氮复合材料的光催化活性不高和循环使用稳定性差，不能达到理想的使用效果。

有鉴于此，特提出本发明以解决上述技术问题。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种光催化剂，是以二氧化钛/石墨相碳化氮复合材料和石墨烯为主要组分，得到的二氧化钛/石墨相碳化氮/石墨烯复合的光催化剂，其中，二氧化钛/石墨相碳化氮复合材料所具有的二氧化钛包覆在石墨相碳化氮表面的复合结构，使得二氧化钛和石墨相碳化氮之间具有紧密的界面接触，有利于光催化活性和循环使用稳定性的提升，同时，利用石墨烯良好的导电性，有效降低了二氧化钛/石墨相碳化氮复合材料的光生电子和空穴在传递过程的复合率，提高光催化的量子效率，二氧化钛/石墨相碳化氮复合材料和石墨烯之间协同效应显著，大幅度提升了光催化剂的光催化活性和循环使用稳定性，改善了现有二氧化钛/石墨相碳化氮复合材料中二氧化钛和石墨相碳化氮之间界面结合力弱且二氧化钛/石墨相碳化氮复合材料的光催化活性不高，循环使用稳定性差，使用效果不佳的技术问题。

本发明的第二个目的在于提供一种光催化剂的制备方法，该制备方法是将二氧化钛/石墨相碳化氮复合材料和石墨烯混合、研磨，得到的二氧化钛/石墨相碳化氮/石墨烯的光催化剂，该制备方法简单、易于操作，使得二氧化钛/石墨相碳化氮复合材料和石墨烯两者之间复合均匀，协同效应显著，得到的光催化剂具有良好的光催化活性和循环使用稳定性。

本发明的第三个目的在于提供一种光催化剂在废气或废水处理过程中的应用。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

本发明提供了一种光催化剂，所述光催化剂主要由以下重量百分数的组分组成：二氧化钛/石墨相碳化氮复合材料80-90％和石墨烯10-20％；

二氧化钛/石墨相碳化氮复合材料为二氧化钛包覆在石墨相碳化氮表面的复合结构。

进一步的，所述光催化剂主要由以下重量百分数的组分组成：二氧化钛/石墨相碳化氮复合材料81-90％和石墨烯10-19％；

二氧化钛/石墨相碳化氮复合材料为二氧化钛包覆在石墨相碳化氮表面的复合结构。

进一步的，所述二氧化钛/石墨相碳化氮复合材料采用前驱体和二氧化钛通过热解法制备而成，其中，所述前驱体为尿素、硫脲、单氰胺、双氰胺或三聚氰胺中的一种或者至少两种的组合；

优选的，所述二氧化钛/石墨相碳化氮复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(a)将前驱体和二氧化钛混合后，加入到溶剂中溶解，搅拌均匀后，干燥，得到混合物；

(b)将混合物进行煅烧，得到煅烧物，将煅烧物进行研磨，得到二氧化钛/石墨相碳化氮复合材料。