[发明专利]一种制备复合高活性光催化剂的新方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备复合高活性光催化剂的新方法，属于新材料制备领域。

背景技术

光催化由于在环境污染治理、光解水和生物质制氢以及染料敏化太阳能电池制造等重大领域具有广泛的应用前景，近年来已成为物理化学中快速发展的研究领域之一。获得高量子效率和高太阳能利用率光催化材料是光催化技术最终能否获得实际应用的核心和关键问题，因而一直是光催化科学和技术研发的焦点。近二十年来，国内外众多科学家围绕如何获得高效光催化材料开展了大量而广泛的研究。迄今，元素周期表中的绝大多数金属的单一氧化物、硫化物或其它非金属化物已经被研究，除早期发现的TiO₂、ZnO、CdS等以外，其它众多金属如Nb、Ta、Fe、In、W、Ga、Sb、Mo等等的氧化物或硫化物也已经被考察，大多都表现一定的光催化活性。然而，从目前报道的结果分析，这些单一氧化物和硫化物或由于带隙较宽、或由于光量子效率低、或由于太阳能利用率不高、或由于自身的不稳定性、或由于织构不良等原因，尚没有一个能够真正满足大规模实际应用的要求。因此，发展多组分复合氧化物或硫化物或其它金属化合物光催化剂成为一个必然的选择。其中，构建两种金属化合物甚至多种金属化合物的复合光催化材料，通过一种半导体对另一种半导体掺杂效应来调变催化剂的电子结构、通过不同组成的氧化物形成固溶体产生新电子结构、通过不同电子结构的氧化物带隙匹配复合形成异质结改善电荷载流子扩散和提高光生电荷的分离效率等方法，是未来的研发趋势和主要研究方向。各种技术，如溶胶-凝胶法、水热法、高温固相反应法、溅射技术、雾化裂解和脉冲激光技术等等，都已经被用于这些种类光催化材料的制备和合成。但是从目前报道结果看，上述方法制备的光催化剂操作比较复杂，且制备的光催化剂重复性能较差。同时对于多结复合光催化剂采用通常的化学方法很难被制备出来。基于固-固界面反应的机械化学方法被证明是构建这类催化剂的一种工艺简单、十分有效和能大规模实施的方法，显示出重要的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足而采用一种新方法来制备高活性光催化剂，该方法具有工艺简单、成本低廉、反应条件温和、操作方便、能大规模实施等特点。

本发明的目的可以通过以下措施来达到：

本发明是按要求将一定成分的样品与玛瑙球按一定的比例放入玛瑙球磨罐中，以水或无水乙醇或表面活性剂等为分散剂或采用干磨，以一定的转速进行球磨，球磨时间根据实际情况确定，分别为3h，6h，12h，24h，然后将样品取出并烘干，分别制备出按要求掺杂比不同的高活性催化剂.本发明操作简单、成本低、反应条件温和、能大规模实施等特点，且制备出的光催化剂的平均晶粒尺寸在30～50nm，经活性测试，球磨法制备的催化剂，光催化活性高于用其他方法制备的光催化活性.制备出的催化剂，经扫描电镜和透射电镜观察，呈现出特殊的形貌和结构，不同催化剂间界面结构清晰、明确，有利于光激电子-空穴对的分离.

光催化活性的评价方法：光催化反应均在光催化反应器中进行。光催化反应器由二部分组成，第一部分是一个环型的石英玻璃套管，中间空筒内平放一支375W中压汞灯(特征波长为365nm)作为紫外光源或平放一支500W氙灯作为模拟太阳光光源。石英玻璃套管内层夹套通有循环冷却水，可控制反应液温度在30℃左右；第二部分是一个开口的直径为12cm的烧杯，在反应开始前向烧杯中加入一定量的反应液和催化剂，并用磁子不停的搅拌。反应过程中，保持灯源到反应液面的高度为11cm，反应液面测得UV光的强度约为18300μW/cm²。实验时先将反应液在暗态下超声20min，光照后将反应液以7000转/分速率离心20min，再用0.2μm微孔过滤器过滤，然后取样分析。

通过对甲基橙和Cr⁶⁺的降解率(η)来评价光催化剂的氧化性和还原性，降解率的计算公式如下：η＝(A₀-A)/A₀×100％，式中A₀为溶液在光照前吸光度，A为光照后的吸光度。

(1)氧化性评价：将300mL甲基橙的标准液注入反应器烧杯中，加入0.2g催化剂，放入磁子，开动磁力搅拌器，启动紫外灯或可见灯光源，光照20min。抽取一定量的试液离心分离，用0.2μm的滤膜过滤除去催化剂颗粒。用721型分光光度计在波长为464nm处，用1cm比色皿，以空白试剂为参比溶液，分别测其吸光度，然后计算出甲基橙的光催化降解率。