[发明专利]一种无机敏化可见光催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光催化剂技术领域，特别是涉及一种无机敏化光催化剂及其制备方法，这种催化剂能在可见光范围内被激活、催化降解有机物。

背景技术

光催化技术是当今科学研究的热点，其应用范围十分广泛，如污水处理、空气净化、太阳能利用、抗菌、防雾和自清洁功能等。目前用作光催化剂的材料主要是一些半导体化合物。常见的有TiO₂、ZnO、WO₃、SnO₂等氧化物，CdS、ZnS等硫化物以及CdSe等硒化物。其中TiO₂因为具有无毒、催化活性高、氧化能力强、稳定性好等优异特点，而成为最常使用的光催化剂，是一种非常有发展前途的污染治理材料。

TiO₂基光催化材料实用化的主要问题在于：TiO₂禁带较宽(3.0～3.2eV)，光能利用率较低，对太阳光的吸收局限于紫外区，光能利用率不到5％。众所周知，照射到地表的可见光(波长400～750nm)的能量约为全体太阳光的43％，因此，开发能有效利用可见光的光催化材料对环保和节能都具有及其重要的意义。针对这一问题国内外研究人员做了大量的研究工作，发展了多种改性TiO₂的方法，不同程度的拓展了TiO₂的光响应范围，提高了其可见光催化活性。其中光敏化(无机敏化、有机敏化)和非金属离子(N、C、S、B等)掺杂被认为是最有前景的改性方法，已广泛应用于可见光催化降解有机污染和太阳能电池领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无机敏化光催化剂及其制备方法，在可见光照射条件下既能保持稳定的高催化活性，同时制造工艺简单、成本较低。

本发明提供的催化剂由两种或三种金属氧化物纳米粒子组成，一种或两种金属氧化物作为光催化活性物种，为未掺杂或非金属离子掺杂的金属氧化物；一种或两种金属氧化物作为光敏化剂，为能吸收可见光的金属氧化物。该光催化剂能有效利用太阳光中的可见光对空气、废水、地表水及饮用水中有机污染物进行光催化降解。

所述金属氧化物中用作光催化活性物种的为二氧化钛(TiO₂)、氮掺杂二氧化钛(N-TiO₂)、硼掺杂二氧化钛(B-TiO₂)、磷掺杂二氧化钛(P-TiO₂)和氧化锌(ZnO)，用作光敏化剂的为氧化镍(NiO)、三氧化二铬(Cr₂O₃)和三氧化二铁(Fe₂O₃)。

本发明的无机敏化可见光催化剂的制备方法如下：

(1)前驱体一的制备：将硝酸镍、硝酸锌、四氯化钛、尿素、去离子水按照摩尔比为0.5～1∶0～0.5∶0.2～0.4∶10～20∶555混合均匀后，于搅拌回流条件下反应2～10h，得到固体沉淀。然后抽滤、去离子水洗涤、烘干得固体粉末。

(2)前驱体二的制备：将硝酸镍、硝酸锌、四氯化钛、尿素、去离子水按照摩尔比为0.5～1∶0～0.5∶0.2～0.4∶10～20∶555混合均匀后，于搅拌回流条件下反应1～3h，得到固体沉淀，抽滤后用去离子水洗涤，加入0.08～0.16摩尔/升的碳酸钠，放入高温高压水热釜，于100～150℃条件下反应5～10h，得到固体沉淀。然后抽滤、去离子水洗涤、烘干得固体粉末。

(3)前驱体三的制备：将硝酸镍、硝酸锌、四氯化钛、氢氧化钠、磷酸氢二钠或硼酸铵、去离子水按照摩尔比为0.5～1∶0～0.5∶0.2～0.4∶4.5～6∶0.2～0.4∶1111缓慢混合均匀后，通入氮气，于40～80℃搅拌条件下反应12～24h，得到固体沉淀。然后抽滤、去离子水洗涤、烘干得固体粉末。

(4)前驱体四的制备：将硝酸锌、三氯化铬、硝酸铁、氢氧化钠、去离子水按照摩尔比为1∶0.1～0.15∶0.1～0.15∶4.5～6∶1111缓慢混合均匀后，于40～80℃搅拌条件下反应10～24h，得到固体沉淀。然后抽滤、去离子水洗涤、干燥得固体粉末。

(5)光催化剂的制备：将制备的前驱体分别于400～500℃中焙烧4～8h得纳米金属氧化物光催化剂粉末。

步骤(1)至(4)中，所制得的前驱体具有原子有序的晶体结构。

步骤(5)中，所制得的光催化剂为共享晶格氧的纳米金属氧化物。