[发明专利]一种体相共掺杂可见光光催化材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种体相共掺杂可见光光催化材料及其制备方法和应用，属于无机非金属纳米材料制备、太阳能利用与环境保护技术领域。该体相共掺杂可见光光催化材料为金属和非金属元素体相共掺杂的二氧化钛材料，其中金属元素具有光生电荷存储与释放能力，非金属元素可引起二氧化钛可见光响应。通过金属和非金属元素体相共掺杂进不具可见光响应的二氧化钛晶格中，可实现该类光催化材料在可见光下对环境中的污染物无间断地处理，该发明同时解决了二氧化钛光催化材料无可见光响应和在失去外界光源的能量供应之后反应活性迅速丧失的缺陷。

技术领域

本发明涉及无机非金属纳米材料制备、太阳能利用与环境保护技术领域，具体涉及一种体相共掺杂可见光光催化材料及其制备方法和应用。

背景技术

光催化技术在环境污染治理和洁净能源生产方面具有巨大的应用价值，其研发重点是设计并合成高效的光催化材料。二氧化钛由于化学性质稳定、无毒、光催化活性高、廉价易得等优点而成为被研究的最多、最有前途的光催化材料。然而，二氧化钛的实际应用仍然面临着以下两个问题：一是无可见光响应。二氧化钛由于带隙较宽，仅能被紫外光激发，然而辐射到地球表面的太阳光中具有高能量的紫外光的含量仅为5％左右，可见光的含量则高达45％，为了提高二氧化钛对太阳光的利用率，必须提高其对可见光的响应能力。二是在失去外界光源的能量供应之后反应活性迅速丧失，无法仅利用太阳能来持续处理环境中的污染物，必须配置辅助光源才能在黑夜中持续具有反应活性。为了增强二氧化钛对环境污染的处理效果，降低处理成本和能耗，非常有必要开发出具有光生电荷存储与释放能力的二氧化钛光催化材料(在此称之为具有光生电荷“记忆效应”的光催化材料)，即光催化材料储存其在光照条件下产生的光生电子，在光照关闭后通过释放这些储存电子产生活性基团，从而使其能在无光条件下较长时间保持活性，实现利用太阳光全天候地对环境中的污染物进行无间断的处理。

将杂质元素掺杂进二氧化钛体相中，引入杂质能级，往往能够减小二氧化钛的禁带宽带，实现二氧化钛基光催化材料的可见光吸收。现有的技术对于二氧化钛的金属掺杂大多用来改变二氧化钛的能带结构以及缺陷类型，如若所掺杂的金属元素具有光生电荷的捕获能力，将有可能把光照产生的光生电荷进行存储而克服传统光催化材料无光下无法工作的缺陷，同时，价态与钛离子不同的金属元素的掺杂必然会导致体相晶格缺陷类型的改变，从而更加便于引入非金属元素进行电荷与缺陷平衡。

因此，具有光生电荷存储和释放能力的金属元素和可引起体相材料可见光响应的非金属元素的共掺杂可以同时有效地解决以上两个问题。一方面，金属非金属元素共掺杂相比于不掺杂、单一金属掺杂或单一非金属掺杂，可以更大程度的减小二氧化钛的带隙，提高其对可见光的响应能力，同时金属非金属元素之间形成的电荷补偿可以使缺陷带钝化，从而不能成为光生电子和空穴的复合中心，大大提高了可见光光催化效率。另一方面，具有光生电荷存储和释放能力的金属元素均匀分布于二氧化钛体相中，在可见光照射下，金属元素通过改变自身价态存储电子，光照关闭后，在体相二氧化钛的晶格场的压力下，将存储的电子缓慢释放进而生成活性基团，实现在黑暗中对环境中的污染物进行持续的处理。

发明内容

为了解决现有技术中存在的二氧化钛光催化材料无可见光响应和在失去外界光源的能量供应之后反应活性迅速丧失的缺陷，本发明的目的在于提供一种体相共掺杂可见光光催化材料及其制备方法和应用。该体相共掺杂可见光光催化材料为金属和非金属元素体相共掺杂的二氧化钛材料，其中金属元素具有光生电荷存储与释放能力，非金属元素可引起二氧化钛可见光响应。通过金属和非金属杂质元素体相掺杂进不具可见光响应的二氧化钛晶格中，可实现该类光催化材料在可见光下对环境中的污染物无间断地处理。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种体相共掺杂可见光光催化材料，该光催化材料为具有光生电荷存储与释放能力的金属元素与可引起体相材料可见光响应的非金属元素共掺杂的二氧化钛基纳米材料，该光催化材料能够在可见光照射下存储光生电荷，并在关闭光照后将所存储的光生电荷释放进而生成活性基团，使该光催化材料在无光照条件下继续保持活性，实现该光催化材料的连续工作。