[发明专利]一种处理六价铬废水的可见光催化剂及其合成方法

说明书

本发明公开了一种可见光催化剂及其合成方法，所述可见光催化剂为CPAN/FeWO₄复合物，首先采用水热法制得纯相FeWO₄；然后将FeWO₄与聚丙烯腈PAN的N,N‑二甲基甲酰胺溶液混合分散均匀后，经蒸发溶剂和研磨，得到PAN/FeWO₄复合物；加热PAN/FeWO₄复合物使其中的PAN发生环化反应转变为环化聚丙烯腈CPAN，制得CPAN/FeWO₄复合物。该方法简单易行，原料丰富易得，成本低，得到的CPAN/FeWO₄复合物对水中六价铬的还原具有较高的可见光催化活性（仅复合1%的CPAN，就可以使FeWO₄光催化还原六价铬的效率提高至2.9倍），可作为一种新的高效可见光催化剂应用于处理六价铬废水。

技术领域

本发明属于光催化剂材料技术领域，具体涉及一种处理水中六价铬的可见光催化剂（CPAN/FeWO₄）及其合成方法。

背景技术

铬污染是常见的地下水污染之一。电镀、皮革鞣制以及钝化液、防腐蚀剂、着色剂、铬酸和铬盐的生产或使用中都会产生六价铬污染。六价铬由于毒性作大，其被国际癌症研究中心列为一级致癌物，也是我国的第一类污染物，有着严格的排放标准。

六价铬在水溶液中不是以Cr⁶⁺的形式存在，而是存在铬酸根与重铬酸根离子的平衡。针对水中六价铬的有效去除，目前采用的方法主要有吸附法、化学沉淀法、离子交换法、膜过滤法以及生物法等。传统处理方法存在工艺复杂、成本高、可能引发二次污染等缺点。随着光催化技术的发展，人们开始考虑采用光催化还原六价铬。六价铬的还原产物是三价铬，而三价铬毒性低，并且在碱性条件下形成沉淀（K_sp^y(Cr(OH)₃) = 6.3 × 10^-31），易除去。因此，处理六价铬废水的常用方法是将其中的六价铬还原为三价铬。不过，传统的化学还原法成本较高，且易引入二次污染。光催化还原法可以利用自然太阳光作为激发光源，利用半导体受光激发产生的光生电子使六价铬还原为三价铬。光催化还原反应可以在常温常压下进行，对水中的六价铬还原彻底，无二次污染。不过，要实现光催化还原法在六价铬废水处理方面的实际应用，需要高效的可见光（可见光约占太阳光能的46%）驱动型光催化剂。

TiO₂以其独特的能带电势和表面结构特点，被普遍认为是最高效、最稳定的光催化剂之一。然而，由于TiO₂带隙较大（E_g = 3.2 eV)，只能利用UV区域（ 380 nm）的光子，仅占太阳光谱的4%左右。由于这种固有的局限性，丰富的太阳能无法得到有效利用。为了使太阳能在实际应用中得到更有效的利用，研究人员开发了许多可见光驱动的光催化剂。

钨酸亚铁（FeWO₄）是一种p型半导体材料，其带隙值较小，能有效吸收可见光。但是，FeWO₄和其它光催化剂材料一样，也存在光生电子-空穴对复合率高、光催化效率低的问题。为了克服这一问题，人们采取了诸如掺杂金属离子、与半导体和石墨烯复合等方法对FeWO₄进行改性。但是，这些改性方法也存在一些不足。例如，掺杂金属离子一般难以有效提高FeWO₄的光生电荷分离和光催化效率，有时还会降低材料的稳定性；无机半导体与FeWO₄的复合，制备较为复杂，且二者之间难以形成牢固的大面积异质结界面，不利于光生电荷的转移与分离；石墨烯较贵，通常每克需要500元以上，成本较高。此外，目前有关FeWO₄基光催化材料的报道，主要应用于光催化降解有机物，应用于光催化还原六价铬的报道缺乏。

发明内容

目的：为有效提高FeWO₄的可见光催化活性，本发明提供一种新的高效可见光催化剂及其合成方法，所制CPAN/FeWO₄复合物具有较高的光生电荷分离和传输能力，从而具有更好的光催化还原六价铬的性能。