[发明专利]一种具有光热协同作用的Z型催化剂及其应用

说明书

本发明公开了一种具有光热协同作用的Z型催化剂及其应用由SrTiO₃、TiO₂纳米管阵列、AgBr和Ag组成，构成Z型AgBr/Ag/SrTiO₃‑TiNT催化剂。该催化剂可应用于光热协同催化，在较低的反应温度下可获得较高的催化活性，并且具有良好的热稳定性，便于重复利用。AgBr/Ag/SrTiO₃‑TiNT以贵金属Ag作为电子传输体构成Z型催化剂，有效促进了催化剂中光生电子空穴对的分离和电子的迁移，表现出了较宽的光谱响应，较高的光生载流子分离效率，提高了催化剂稳定性和氧化还原能力。该催化剂制备条件简单，成本较低，适合工业生产。

技术领域

本发明涉及一种具有光热协同作用的Z型催化剂及其在光热协同降解有机气体污染物中的应用，属于催化材料和环境保护技术领域。

背景技术

挥发性有机物(VOCs)可对人体健康和环境造成严重损害。近年来，有关降解VOCs的技术主要包括光催化和热催化两大类。其中，光催化技术的核心主要是利用光催化剂在常温条件下吸收光能产生活性基团，从而催化降解VOCs。但是因其光能利用率较低、量子效率较低及催化剂稳定性较差等原因，使该技术难以被用于大批量工业化生产。与光催化技术相比，热催化技术虽然具有较高的催化活性和较好的催化选择性，但是该技术涉及到的催化材料普遍需要负载贵金属，成本较高；此外，热催化反应过程所需的高温条件还容易导致催化剂发生烧结进而失活。因此，光热协同催化技术自提出开始便得到重视。该技术利用温和的反应温度与光能相结合所产生的协同效应达到催化降解VOCs的目的，从而改善了单一热催化所需的高温和单一光催化的催化活性较低等问题。

光热协同催化降解VOCs需要良好的催化剂材料，在选择催化剂材料时，一方面需要考虑材料应具有较宽的光响应范围从而提高光能利用率，另一方面还要充分考虑外加热能对催化活性的影响。近年来，将具有钙钛矿结构的钛酸锶(SrTiO₃)作为光催化材料载体的技术已经得到了广泛的研究。SrTiO₃具有良好的热稳定性，适合作为光热协同催化反应的催化剂使用。Bai等人(Appl.Catal.B-Environ.,2012,125,367-374.)通过水热法成功在TiO₂纳米管上生长SrTiO₃立方块，构成异质结结构。报道指出，SrTiO₃/TiO₂异质结的建构能有效地促进光生电子空穴对的分离，提高催化剂的光吸收能力，并且异质结本身较大的比表面积有利于形成更多的活性位点。该催化剂在紫外光下进行水制氢的催化反应，其结果显示该催化剂的催化能力是单一TiO₂纳米管的5倍。Lin等人(Catal.Commun.,2012,21,91-95)通过原位离子交换法合成了Z型催化剂AgI/Ag/AgBr，并用其在可见光条件下催化降解甲基橙。报道显示，该催化剂对可见光的响应范围显著拓宽，光生电子空穴对的分离效率也有所提高，且经证明该催化剂上产生的超氧基团是催化降解甲基橙的主要活性物种。

通过上述文献报道方法所制备的催化材料虽然具有较高的催化性能，但仍然存在一些问题，比如SrTiO₃/TiO₂的合成过程需要较长的水热时间，成本较高且操作繁琐，合成过程中也容易产生氨气污染环境。虽然该异质结结构有助于抑制光生电子空穴的复合，但是其氧化还原能力不是很强，且外加温度对提高该材料催化性能作用不大，无法体现光热协同催化的优势，因此对一些难降解有机物的催化效果欠佳，如苯系VOCs。Z型催化剂AgI/Ag/AgBr虽然具有良好的催化活性，但是其Ag含量过高，成本较大，且该催化剂热稳定性不好，实验重复性较差，在高温下容易被氧化变质，因此其作为光热催化材料适用性较差。

发明内容

针对上述提到的催化降解VOCs的研究领域，本发明提供了一种用于光热协同催化降解有机气体污染物的Z型催化剂。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：