[发明专利]一种复合光电催化材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种复合光电催化材料，包括由钛或者钛合金制成的基体，所述基体的表面上覆盖有光催化剂层和电催化剂层，所述光催化剂层和所述电催化剂层分别均匀且有规律地交错设置在所述基体的表面上，所述光催化剂层与所述电催化剂层在所述基体上的覆盖面积之比为1:9～9:1，所述光催化剂层由二氧化钛制成，所述电催化剂层由铂族金属或铂族金属氧化物制成。该复合光电催化材料，集合光催化剂的和电催化剂的性能，且二者能够协同作用，提高光催化效率，还能够直接用作电解食盐水制取次氯酸钠消毒液，因此在净水消毒两用器具中有很好的应用前景。本发明还公开了一种复合光电催化材料的制备方法。

技术领域

本发明涉及光电催化技术领域，具体涉及的是一种复合光电催化材料及其制备方法。

背景技术

以半导体氧化物为催化剂的多相光催化是一种理想的环境污染治理技术。大量的研究结果证实，该技术能在常温常压条件下无选择性地将难降解和有毒有机染料完全降解为CO₂和H₂O，将无机污染物氧化或还原为无害物质，成为近年来国际上最为活跃的研究领域之一。多相光催化技术的基本原理为：当半导体光催化剂(如TiO₂等)受到能量大于禁带宽度的光照射时，其价带上的电子(e^－)受到激发，跃过禁带进入导带，在价带留下带正电的空穴(h⁺)。光生空穴具有强氧化性，光生电子具有强还原性，可直接氧化和还原吸附在表面上的污染物，或与吸附在催化剂表面上的O₂、OH^－和H₂O发生反应，生成具有高度化学活性的羟基自由基(·OH)及H₂O₂，进而将有机污染物降解。

异相光催化技术是非常有潜力的环境污染治理技术，但大规模工业化应用极少，最主要的问题就在于缺少经济、高效的污水光催化处理装置。而更深层次的原因则在于光催化技术还存在悬而未决的科学问题，包括：如何高效地抑制光生电子-空穴的复合，从而提高光量子效率；如何实现光催化材料低成本规模化制备技术。技术创新要以应用为导向，才能发挥出技术的真正价值。只有抑制电子与空穴的复合，才能提高光催化效率。世界各国都投入了大量的人力和物力对此展开了深入的研究，并产生了许多值得借鉴的优秀研究成果。例如，通过适当增加催化剂晶体缺陷、适量金属离子掺杂、贵金属表面沉积、两种或多种半导体的耦合等手段均能使催化剂自身形成有效的电荷载体陷阱，使电子和空穴的分离寿命延长几分之一纳秒。电子俘获剂的使用能够将电子和空穴彻底分离，是进一步有效抑制电子和空穴复合的手段。光致电子的俘获剂是溶解氧，因为氧在水中的溶解度较低，需要外部供氧。研究人员比较几种供氧方式对溶解氧浓度的影响。结果表明，向污水中直接吹入氧气的方式，污水中溶解氧浓度可达到25～40mg/L；而直接吹入空气的方式，污水中溶解氧的浓度仅能达到8.0～8.5mg/L，且继续吹入空气无法继续提高污水中溶解氧浓度。

保持高浓度的溶解氧是促进传质效率，是实现污染物快速、高效降解的关键技术。印染废水排放量巨大，供氧远不如在实验室里那么容易操作。直接吹入空气供氧方式成本低，但低浓度的溶解氧不利于污染物的快速降解。采用纯氧增氧方法虽然具有增氧速度快、效率高的特点，但如果氧气气泡过大，在水中不能完全溶解，就会造成浪费而增加成本。传统的曝气方式很难克服气泡过大问题，适合于空气增氧方法，但不适合作为纯氧增氧的方式。

电催化高级氧化技术也是一种非常有前景的高浓度、有毒、难降解有机废水处理技术。近年来受到广大环保工作者的关注，得到快速发展。电催化氧化过程主要指阳极过程，通过选用具有电催化活性的电极材料，可以使目标反应物直接在电极表面失去电子而被氧化，也可以是通过阳极过程产生具有强氧化性的羟基自由基，使目标物被氧化，最终达到氧化降解污染物的目的。优点是不需要外加任何试剂，对各类有机染料废水的处理能力强(即适应性好)，理论上非常适合于排水量大的纺织印染工业。缺点是阳极存在析氧副反应，阴极存在析氢副反应，导致电流效率低下。电流利用率低、能耗高是限制其在印染废水处理领域推广应用的主要因素。因此，研究提高电流利用效率的方法对电催化技术的工业化应用有重要的意义。