[发明专利]一种氮掺杂介孔碳包裹的二氧化钛复合光催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂介孔碳包裹的二氧化钛复合光催化剂及其制备方法和应用。该制备方法包括以下步骤：将有机配体和Ti(OC₃H₇)₄按一定比例置于甲醇和DMF的混合液中溶解，并进行水热合成反应，经离心，干燥后，得到钛基金属有机骨架材料(Ti‑MOF)；将所得的Ti‑MOF在惰性气氛中进行热解，随后经氧化刻蚀，制得氮掺杂介孔碳包裹TiO₂复合光催化剂。所得复合光催化剂不仅有利于低浓度VOCs的吸附富集和传质，而且在太阳光驱动下可高效降解VOCs。在可见光催化净化VOCs中具有高的降解活性和稳定性，且催化剂合成简单、制备成本低，具有广阔的环境保护应用潜力。

技术领域

本发明属于吸附型光催化材料技术领域，更具体地，涉及一种氮掺杂介孔碳包裹的二氧化钛(TiO₂)复合光催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

挥发性有机污染物(VOCs)是大气污染的一个重要来源，已对室内环境及大气环境造成不同程度的污染，严重地威胁人体健康和生态环境。如何采取高效科学技术方法消除大气中的VOCs，已成为环保科研人员研究的重点和难题。光催化氧化法是一种新型的环境污染控制技术，该技术具有应用工艺简单、一次性投资少及设备维护费用较低等优点，并且有望将VOCs最终氧化为CO₂和H₂O。因此在VOCs特别是低浓度VOCs的净化方面具有广阔的应用前景。迄今为止，各种半导体光催化剂已被开发应用，其中二氧化钛(TiO₂)因其卓越的光催化氧化性能、抗光腐蚀、无毒价廉等优点而受到了研究者的广泛关注。然而，由于TiO₂的带隙较宽(Eg＝3.0～3.2eV)，只有被紫外光激发时才能发生光催化反应。但是紫外光能量仅占太阳光中的不足5％，因此导致占有太阳光近43％的可见光无法有效被利用,极大地限制了其在环境净化方面的实际应用；另外，由于TiO₂具有较小的比表面积，使其不能有效地吸附实际大气中低浓度的VOCs污染物，从而显著降低光催化氧化的效率。因此，拓宽TiO₂材料的光响应范围，增强其吸附性能，是提高其光催化活性非常重要的方法。

为了更好地提高催化活性，国内外学者主要通过以下方面对TiO₂进行了大量的改性工作：将TiO₂与具有大比较面积的材料复合，提高其对VOCs的吸附富集能力；减小禁带宽度，扩大光响应范围，使其在可见光区也能展现光催化性能；加入捕获剂以阻止或减缓光生电子-空穴对的复合，提高光量子效率，改善光催化材料的稳定性等。然而，大部分的改性均很难同时提高其太阳光利用率和光催化活性，因此，如何制备出在太阳光驱动下具有稳定、高效的太阳光催化剂，能够增强催化剂对光的吸收和利用的同时，进一步提高催化剂的光催化效率和稳定性是亟待解决的问题。

截至目前，未见关于氮掺杂介孔碳包裹的TiO₂复合光催化剂的制备及其在VOCs降解方面的相关研究和报道。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，提供一种氮掺杂介孔碳包裹的TiO₂复合光催化剂(介孔TiO₂@NC)的制备方法。该方法以含有氨基的钛基MOF材料为牺牲模板，利用MOFs的热不稳定性，通过高温热解和氧化刻蚀相结合，制备氮掺杂介孔碳包裹的TiO₂复合材料。

本发明的另一目的在于提供上述方法制备得到的氮掺杂介孔碳包裹的TiO₂复合光催化剂。该材料能够在太阳光驱动下大幅度地提高其催化活性，解决了TiO₂作为光催化剂对太阳光的利用率较低，以及在光催化降解实际大气中VOCs不能有效地吸附低浓度VOCs而降低光催化效率的缺陷。

本发明的再一个目的在于提供上述氮掺杂介孔碳包裹的TiO₂复合光催化剂的应用。

本发明上述目的通过以下技术方案予以实现：