[发明专利]原位掺杂二氧化钛催化剂载体及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种原位掺杂二氧化钛催化剂载体及其制备方法和应用，其中，原位掺杂二氧化钛催化剂载体包括钛板或钛合金板载体以及在钛或钛合金板载体表面原位生成的掺杂二氧化钛催化剂，掺杂二氧化钛光催化剂形貌以粒径为20‑500nm的纳米粒子和厚度为50nm‑10um、管径为20nm‑300nm的纳米管阵列为主，所述掺杂二氧化钛催化剂的组分中掺杂有碳和氮、或者掺杂有的贵金属银、或者掺杂有的稀土元素、或者掺杂有的α‑Fe2O3，稀土元素为Ce、Eu、Gd、La、Y中的一种或几种。本发明具有优良的光电催化活性，同时催化剂与钛载体之间产生锚固效应，大大提高了催化剂与载体的附着力。

技术领域

本发明涉及负载型光催化剂技术领域，具体涉及原位掺杂二氧化钛催化器载体及催化剂制备方法和应用。

背景技术

随着社会经济的发展，能源缺乏和环境污染问题日趋突出。自1972年日本科学家Fijishima和Honda等通过实验研究发现当使用波长小于415nm的光照射TiO₂电极时，能够产生羟基自由基用于光催化降解有机物及产生氢气，该发现为解决环境污染和能源短缺提供了一条可行的方法，至今国内外发表的相关研究论文成千上万篇，从而使光催化成为高级氧化技术中的研究热点之一，然而人们更关心如何将光催化技术应用于实践以利用丰富的太阳能。但直到现在由于存在对紫外光和特别是可见光的利用率不高、光生空穴和光生电子的复合及用于光催化反应器时与载体的匹配性等诸多的技术难题，从而使其在实际的应用上受到了限制，导致光催化技术上目前还停留在研究阶段。

另外，TiO₂属于半导体氧化物中的一种，其禁带宽度约为3.2eV较大，仅能够利用太阳光的4～5％的，制约了TiO₂光催化技术对太阳能的利用效率；另外TiO₂光催化剂表面产生的空穴和电子容易复合，降低光催化剂使用效率。通过在TiO₂光催化剂中引入铁(氢)氧化物降低TiO₂光催化剂的禁带宽度、掺杂稀土元素抑制催化剂表面空穴和电子复合，采用大比表面积载体材料(如沸石、粘土、氧化铝、活性炭等)，以提高催化剂对可见光的响应及催化效率是目前的主要改进手段。

光催化技术要在废水处理上实现工业化，光催化剂的固定负载及载体加工成型，以实现与工程上实际使用的柱塞流反应器或CSTR反应器的匹配是必经途径。传统的载体如为多孔性材料类、玻璃类、空心玻璃微球、陶瓷类等不易加工成反应器所需要的圆形、蜂巢型等流体动力损失小的载体形状。此外以上载体不能与TiO₂发生锚固效应提高附着强度并利于电子和空穴的分离以提高光催化活性。

因此，本领域亟需研发易加工成型的催化剂载体及强化催化剂与载体之间相互作用的以提高光催化活性和效率等的实用性技术。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的TiO₂光催化剂可见光响应弱、效率低、载体与TiO₂光催化剂相互作用及附着能力差、载体不易成型应用于柱塞流反应器或CSTR(continuousstirred tank reactor)等缺陷，提供一种原位掺杂二氧化钛催化剂载体及其制备方法和应用。

本发明的发明人发现，以钛板或钛合金板为载体，通过预处理、电化学氧化以及一定比例的碳、氮、稀土或铁等元素的盐溶液中化学浸渍并高温热处理得到的在载体表面原位掺杂二氧化钛催化剂载体，碳、氮以及稀土元素的掺杂能够降低二氧化钛表面光生空穴和电子的复合机率、提高催化剂可见光响应及催化效率；铁(氢)氧化物具有环境相容性好、带隙低(例如α-Fe₂O₃为2.2eV)，能大大提高光催化剂的可见光响应；原位生成的掺杂二氧化钛催化剂与钛板或钛合金板载体之间产生稳定的锚固效应，采用GB/T9286-1998色漆和清漆漆膜的划格实验结果表明，本方法催化剂与载体剥离程度为0-1级，一般溶胶凝胶法催化剂与相同钛基载体剥离程度为3-4级，本方法催化器附着力提高了3-4个级别。