[发明专利]一种钒掺杂钛酸锆光催化材料及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种钒掺杂钛酸锆光催化材料及其制备方法与应用。上述钒掺杂钛酸锆光催化材料的制备方法，包括步骤：将氧氯化锆，钛酸四丁酯和柠檬酸溶于甲醇中，之后滴加酸溶液，调整混合体系的pH值为2.0‑4.0，再加入钒源，搅拌均匀，得到前驱体溶液；向前驱体溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮，搅拌混合均匀，得到前驱体溶胶；之后在室温下进行静电纺丝，得到前驱体纤维；将所得前驱体纤维干燥、煅烧后，得到钒掺杂钛酸锆光催化材料。本发明的光催化材料具有较高的光催化效率，对TC等具有很好的催化降解效果，其制备方法以及工艺设备简单，易操作，样品分布均匀且连续性好，制备过程无废水废气排放，对环境友好，具有规模化生产的潜力。

技术领域

本发明涉及一种钒掺杂钛酸锆光催化材料及其制备方法与应用，属于光催化材料技术领域。

背景技术

光催化被认为是解决环境日益恶化问题的有效技术手段。因此，许多的研究人员一直专注于净化环境光催化剂的制备和应用。其中TiO₂由于其良好的物理化学稳定性，低成本和安全性等优点，受到了学者的青睐。但是，在太阳光照射下的量子产率很低和较差的可见光光催化效率限制了TiO₂的进一步应用。因此，为了提高光催化的效率，已经对各种氧化物材料进行了深入的研究。

与TiO₂相比，新型三元氧化物半导体钛酸锆(ZrTiO₄)由于其材料来源广泛、价格低廉、较负的导带位置和高的化学稳定性等优点受到了广泛的关注。但钛酸锆由于其相对较宽的禁带宽度和电子-空穴复合率高等固有缺陷限制了它的实际应用要求。通过形貌调控，可以提高钛酸锆的催化活性，例如中国专利文献CN108514871A提供了一种以细菌纤维素作为模板钛酸锆纳米管的制备方法，包括步骤：细菌纤维素的预处理，之后将钛酸四丁酯、丙醇锆加入到异丙醇中，再加入细菌纤维素和水，静置进行水解反应，之后将所得产物热解，即得。相比于钛酸锆粉末，所得钛酸锆纳米管的催化效率高。但是该方法处理细菌纤维素的方法复杂，并且仅仅是改变了钛酸锆的形貌，制得的钛酸锆纳米管的光催化性能提升有限。通过离子掺杂，可以拓宽钛酸锆的可见光响应范围，例如Catalysis Today 340(2020)49-57，报道了铈掺杂钛酸锆的结构、电子和光化学性能。但是，该文章仅仅研究了铈掺杂量以及铈氧化态对钛酸锆结构以及性质的影响，并没有将其应用到实际的光催化降解抗生素领域。近年来，将贵金属掺杂到半导体中，可以改善内部量子传递并改变材料的电荷载流子密度，从而增强其光电化学性能，但是贵金属材料的稀缺性和较高的成本阻碍了其大规模实际应用。

因此，研究和开发新型的钛酸锆光催化剂材料，具有十分重要的意义。为此，提出本发明。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种钒掺杂钛酸锆光催化材料及其制备方法与应用。本发明利用溶胶凝胶法结合静电纺丝技术制备了钒掺杂钛酸锆纳米带，有效地减小了钛酸锆光生电子-空穴对的复合效率，拓宽了其光响应范围，提高了光催化效率。

术语说明：

纺丝接收距离：静电纺丝针头到接收装置的距离。

室温：具有本领域技术人员公知的含义，一般是指25±5℃。

本发明的技术方案如下：

一种钒掺杂钛酸锆光催化材料，所述的光催化材料的微观形貌为纳米带，所述纳米带的直径为1-3μm，其中钛酸锆为正交相。

根据本发明，上述钒掺杂钛酸锆光催化材料的制备方法，包括步骤如下：

(1)将锆源，钛源和柠檬酸溶于甲醇中，之后滴加酸溶液，调节混合体系的pH值为2.0-4.0，再加入钒源，搅拌均匀，得到前驱体溶液；

(2)向步骤(1)制得的前驱体溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，搅拌混合均匀，得到前驱体溶胶；之后在室温下进行静电纺丝，得到前驱体纤维；将所得前驱体纤维干燥、煅烧后，得到钒掺杂钛酸锆光催化材料。