[发明专利]一种可见光响应光催化剂的改性方法及其在人工海水体系中的应用

说明书

本发明公开了一种可见光响应光催化剂的改性方法及其在人工海水体系中的应用，改性包括：(1)将具有混晶结构的TiO₂纳米光催化剂和超声处理后的无水乙醇混合，超声分散直至形成稳定的悬浮液体系；(2)将该悬浮体系全部转移至高压反应釜中，密封后在恒定温度下进行乙醇热还原反应；(3)将所得热处理反应液冷却后分离，经洗涤和烘干处理即可。将改性处理后的光催化剂投加到人工海水体系中，黑暗处吸附平衡(半小时左右)后在可见光源下照射3～5小时。本发明采用乙醇热还原方法，仅仅在温和的条件下就可以完成对混晶结构TiO2光催化剂的表面还原改性，得到可见光活性的光催化剂，方法简便、且安全可靠。

技术领域

本发明涉及海水体系有机污染物处理技术领域，具体涉及一种混晶结构的可见光响应光催化剂的乙醇热还原改性方法及其在人工海水体系中的应用。

背景技术

陆地排放的废水和航运引起的废油等给海洋带来了大量含有多种芳香烃的有机污染。即使海洋面积占了地球总面积的70％以上，但日积月累的海洋污染是全球面临的主要环境污染问题。更为严重的是，在长期光照等作用下，海洋体系中的芳香烃进一步作用生成高毒性的多环芳烃(PAHs)类污染物。近年来，已经在多个海洋水域甚至深海鱼的体内都发现了PAHs的存在。由于面积广阔，海洋污染的一个显著特点就是有机污染物浓度低，且难降解。另外，海水体系本身存在着大量不同种类的盐离子(盐浓度在3％～5％)。低浓度难降解的有机物和盐离子干扰这两个特点，使得利用吸附等传统水处理技术解决海洋有机污染问题面临着难以解决的难点。由于矿化彻底、高效且无选择性降解有机物的优势，TiO₂为代表的多相光催化技术水资源深度处理领域体现出了非常高广阔大潜力，也为了去除海水中低浓度有机污染物提供了一个非常可行的研究方向。

但TiO₂多相光催化技术能否成功应用于海水中芳香烃类有机污染物的治理，还需要面临两个挑战。首先，普遍认为粒径小于100nm的TiO₂粒子才具有光催化活性，尤其当粒子尺寸小于10nm时其光催化活性最佳。除此之外，结晶态TiO₂(包括金红石型和锐钛矿型)也是粒子具有高效光催化活性的关键因素。但，粒径如此小的纳米粒子具有极大的表面能，在生产过程中极易团聚，而且具有结晶态的小粒径TiO₂粒子的生产更是难上加难。几十年来，工业化最成功、应用最广的TiO₂纳米光催化剂就是赢创集团(原为德固赛公司)通过气相法制备得到的商用P25光催化剂。P25中TiO₂粒子的平均粒子粒径在20nm左右，但其混晶结构(～80％锐钛矿晶型和～20％金红石晶型)形成的载流子捕获中心，使其可以非常有效分离光生电子和空穴，从而具有高效的光催化活性。另外，该催化剂如此小的粒径却有非常良好的稳定性，使其在化工、环保和医药等行业得到了最广泛应应用。

拓展多相光催化技术应用于海水中有机污染治理的第二个难点是，海洋中可利用的光源是可见光源。纯TiO₂纳米粒子包括P25在内的，由于其较宽的能带带隙(锐钛矿TiO₂约3.2eV，金红石TiO₂约3.0eV)，仅在紫外光的照射下才能激发其光降解污染物。而海洋等自然环境中能够利用的紫外光仅占太阳光源的5％不到。如何设计稳定、高效的可见光响应催化剂，是将多相光催化技术实际应用于海洋中有机污染物去除的关键。

现有的氢化还原法是在高压氢气氛围下焙烧热处理催化剂粉末，或者将催化剂常温下进行长时间的高压氢化处理，该方法需要的氢气分压要在20bar以上，不仅制备成本高，而且高压氢气存在着很大的安全隐患。鉴于P25光催化剂的稳定性和在紫外可见光下优异的光催化效果，如何利用改性等手段将P25光吸收拓展至可见光区，令其具有可见光活性是可见光响应催化剂设计和构建的热点方向。

发明内容