[发明专利]一种氮掺杂纳米二氧化硅光催化剂的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂纳米二氧化硅光催化剂的制备方法及应用，属于光催化技术领域。制备方法如下：将氮源与硅酸钠溶液混合后，加酸使其形成沉淀，沉淀经老化、洗涤、干燥、焙烧、研磨后得到氮掺杂纳米二氧化硅光催化剂。该催化剂具有球形形貌，其粒径在100‑200 nm，氮原子的掺入量约占总原子数的5‑6%。本发明还包括该催化剂在光催化降解固相表面中的有机污染物方面的应用，特征包括反应介质可以是水相或气相，采用模拟自然光辐照作为光源。本发明采用沉淀法合成氮掺杂纳米二氧化硅光催化剂，方法简单、重复性好、产率高，且采用模拟太阳光驱动反应，对多种类型的有机污染物具有很好的催化效果。

技术领域

本发明光催化技术领域，具体涉及一种氮掺杂纳米二氧化硅光催化剂的制备方法及应用。

背景技术

光催化是一种有效处理污染物的高级氧化技术，光催化剂是光催化反应得以高效顺利进行的关键。金属氧化物半导体光催化剂如TiO₂、ZnO、Fe₂O₃、ZrO₂、V₂O₅、WO₃和Bi₂O₃等一般需要波长400 nm以下的紫外光激发才能产生催化效果，若要利用主要集中在可见光区的太阳光波，就需要改变材料的电子结构来提高其可见光催化性能。一种重要且有效的方法是元素掺杂，将掺杂剂掺入原始的催化材料的晶格中，改变材料的元素组成和原子排布，从而改变材料的电子结构，提高光催化剂活性。元素掺杂可分为两种，一是金属或过渡金属元素的掺杂，例如，Choi等系统评估了21种过渡金属元素掺杂的TiO₂溶胶氧化CHCl₃和还原CCl₄的能力，发现Fe³⁺、Mo⁵⁺、Ru³⁺、Os³⁺、Re⁵⁺、V⁴⁺和Rh³⁺掺杂显著提高了TiO₂光催化氧化还原活性。Estrellan等制备出Fe-Nb/TiO₂材料，其降解PFOA的效率增加了约6.4倍。二是非金属元素的掺杂，如N、S、C、B、P、I、F等。Asahi等从实验和理论角度全面分析了F、N、C、S和P等非金属元素掺杂TiO₂的可行性和优越性，发现N掺杂是设计可见光响应TiO₂催化剂的最有效的一种掺杂方法，N-TiO₂在波长500 nm的可见光区有更明显的吸收，并且对甲基蓝和乙醛的光催化降解效率更高。现有的研究大多集中于改性TiO₂光催化剂，对于元素掺杂后的其它类型光催化剂的活性变化情况还知之甚少。

二氧化硅材料来源广泛，价格低廉，化学性质稳定，具有耐高温、抗腐蚀、绝缘性好等优异特性，因而在材料领域备受关注。随着纳米技术的发展，对二氧化硅纳米颗粒进行开发和应用有重要意义。目前，二氧化硅纳米材料在环境污染治理领域的应用主要体现在两个方面：一是利用二氧化硅纳米材料优良的吸附性能，对环境污染物进行吸附去除，例如，Li等人成功地将合成的聚乙烯亚胺-纳米二氧化硅复合材料用于吸附捕获CO₂气体。二是将二氧化硅纳米材料作为催化剂的载体或经过表面修饰，降解去除污染物，例如，Dong等人将银纳米颗粒固定在纤维状纳米二氧化硅上作为可回收的高效非均相催化剂，用于还原污染物。Sarkar等人将二氧化钛与稻壳中提取的纳米二氧化硅制成复合材料用于甲基橙的降解。通常情况下，二氧化硅的表面修饰、改性以及作为载体制备复合纳米硅材料均有助于提高催化效率。那么，二氧化硅本身是否具有催化活性呢；