[发明专利]一种咔唑类有机染料及其制备方法、染料敏化二氧化钛复合催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明属于光催化处理废水技术领域，尤其涉及一种咔唑类有机染料及其制备方法、染料敏化二氧化钛复合催化剂及其制备方法和应用。本发明提供的咔唑类有机染料含有三苯胺基团和咔唑基团，该染料分子带有锚定基团，可提高有机染料在载体表面的吸附强度，拓宽光响应范围，减缓空穴电子对复合，进而能够增强染料敏化二氧化钛复合催化剂对污染物的降解效果。将本发明的染料分子用于制备染料敏化二氧化钛复合催化剂，所得催化剂中，染料吸附在二氧化钛表面，颗粒分布均匀，拓宽了二氧化钛半导体的可见光响应范围，催化效果良好，提高了对废水的处理效率，延长了光催化颗粒寿命。

技术领域

本发明涉及光催化处理废水技术领域，尤其涉及一种咔唑类有机染料及其制备方法、染料敏化二氧化钛复合催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

目前，工业废水的大量排放是造成水体资源紧张的重要原因之一，水体污染关乎人民群众的生命健康安全。

印染废水便是典型的水中有机污染之一。酸性黑是常见的有机废水之一，酸性黑1(AB1)俗称萘酚黑蓝，又名酸性黑10B或氨基黑10B，是一种人工合成的蓝黑色染料，在常温下AB1为黑褐色粉末，易溶于水和乙醇，具有良好的稳定性和染色性，主要用于对羊毛、蚕丝、锦纶及其混纺织物的染色和印花，也广泛应用于纸张、皮革、木材的着色，还大量用于制造墨水。AB1属于易致敏物，可导致人体急性过敏，长期接触会对人体器官造成损伤。AB1的使用范围广，用量巨大，在生产与使用过程中有大量AB1进入自然界，这对生态环境与人类健康产生了潜在的威胁，其中以印染工业所产生酸性黑废水的量最为巨大。由于酸性黑印染废水有机物浓度高、可生化性差，具有生物毒性，采用传统的生物法对其降解难以达到理想的效果。因此，开发针对酸性黑水溶液的新型降解方法具有重要的研究价值。

与传统的吸附法处理废水相比，金属氧化物半导体材料光催化降解水中污染物具有条件温和、无毒无害、降解彻底、使用方便、再生性能好等诸多优势。

自Honda等人在《自然》杂志发表了一篇TiO₂光致水分解的文章以来，TiO₂作为一种光催化剂引起了广大研究者们的注意。目前，TiO₂光催化剂已在光伏领域、光合成领域以及废水、废气处理等方面展现出了广阔的应用前景。TiO₂光催化剂可以在较温和的条件下将有毒有色的大分子污染物分解成易处理的小分子或者是CO₂等产物，被视为最绿色有效的污染物处理方案。然而，TiO₂存在光生电子转移率不高、载流子易产生复合现象等客观因素，限制了它的催化性能；此外，其较宽的带隙决定了TiO₂的光响应范围主要集中在高能光子区，对地表太阳光线的利用率非常低。

为了克服这些不足，研究者们采用了多种方案对TiO₂催化剂进行了改性探索。有机分子具有易修饰、合成简单、分离提纯方便等优点，可根据需求设计出特定的功能，因此通过一系列手段能够开发出光捕捉能力优秀的分子；又因其成本低、质量轻、密度小、易与无机材料结合等特点，催生出了有机分子TiO₂的敏化催化剂体系。这种体系的光催化剂可以将光响应范围扩展到可见光区，实现最大化地利用地表太阳能，实现对污染物的有效降解。当染料敏化光催化剂被可见光照射时，敏化剂分子吸收可见光产生电子。然后这些光生电子随即被转移到TiO₂的导带上，被吸附到催化剂表面附近的氧分子捕获，生成·O^2-自由基。同时，TiO₂自身也可以吸收紫外光能，产生电子和空穴，电子同样被转移至TiO₂的导带上，把空穴留在TiO₂的价带位置，空穴可以与溶液中的水发生反应生成·OH自由基。因此，敏化剂分子负载在TiO₂表面后，避免了电子和空穴的复合，既提高了光能利用率，也提高了催化效率。