[发明专利]一种异质结复合光催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及光催化技术领域，公开了一种异质结复合光催化剂及其制备方法和应用，所述催化剂包括特定比例的金红石型TiO₂、六方晶系CaTi₄O₉及六方晶系CaTiO₃，本发明通过在TiO₂中掺入CaTi₄O₉及六方晶系CaTiO₃，有效抑制光生空穴和电子的复合，提高了量子效率，同时，本发明的异质结复合光催化剂使得具有宽禁带的TiO₂、CaTiO₃展现出高导带电势的优势，为光催化反应提供具有更强还原能力的光生电子，有效提高了光催化分解水制氢速率及还原去除Cr(Ⅵ)效率。

技术领域

本发明涉及光催化技术领域，具体涉及一种异质结复合光催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

能源与环境问题是制约人类社会发展的主要因素。当今世界经济的发展仍依赖于化石能源，随着人类社会的不断进步，能源的消耗日趋增大。据预测，2050年世界能源需求将达到2000年的2倍，但化石能源正逐渐枯竭，同时化石能源也带来了诸如温室效应、大气污染、水污染等一系列环境问题。发展太阳能、水能、风能、核能等清洁可再生能源来取代化石能源是解决能源危机与环境污染的关键。

太阳辐射每年到达地球的能量远超人类所需，而用半导体催化剂光催化分解水产生氢气是有效利用太阳能并将其转化为氢能源的方法之一。早在1972年，Fujishima和Honda用TiO₂和Pt作电极，通过施加一个偏移电位，在紫外灯照射下首次实现了光催化分解水产氢。经数十年的不断研究探索，用作光催化分解水的光催化剂已达数百种，其中TiO₂以其催化活性高、性能稳定、价格便宜，对人体无害等优点备受人们青睐，成为最受重视的一种光催化剂。然而，TiO₂作为光催化剂应用于实际时存在不能利用可见光和量子效率偏低两个较大的制约因素。为此，人们广泛而深入地研究了具备不同能级结构的半导体材料的光催化分解水的反应原理，并通过贵金属沉积、过渡阳离子掺杂、染料敏化、复合半导体等方法来提高TiO₂量子效率和提高可见光利用率，但效果不是很显著。因此，寻找一种光响应范围广，量子效率高的新型光催化剂是一项重要的研究课题。

发明内容

因此，本发明旨在提供一种光响应范围广、量子效率高的新型异质结复合光催化剂；同时，本发明还提供了所述光催化剂的制备方法及其应用。

为此，本发明提供了一种异质结复合光催化剂，包括31～90wt％的金红石型TiO₂、4～28wt％的六方晶系CaTi₄O₉及6～41wt％的正交晶系CaTiO₃。

进一步地，所述光催化剂的粒径为30～40nm，比表面积为20～25m²/g，孔体积为0.07～0.16cm³/g，孔径为12～38nm，带隙能为3.0～3.47eV。

本发明还提供了一种上述异质结复合光催化剂的制备方法，包括如下步骤：

将乙酸钙充分分散于有机溶剂中，加入TiO₂前驱体，混合均匀后将混合液在150～200℃下进行溶剂热反应18～30h，对所得产物进行冷却、分离、洗涤和干燥，即得所述异质结复合光催化剂的前驱体；

对所述前驱体以4～6℃/min的升温速率匀速加热至650～750℃，随后保温至少1.8h，即得所述异质结复合光催化剂。

进一步地，所述乙酸钙与所述TiO₂前驱体的物质的量比为1：(1～20)。

进一步地，所述TiO₂前驱体为有机钛盐；所述有机溶剂为乙二醇、丙三醇、聚乙二醇中的至少一种。