[发明专利]一种氟化物光催化材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于环保技术领域，具体为一种新型的用于紫外光降解有机污染物的铋系层状含氟光催化剂及其制备方法。

背景技术

随着社会和科技的不断发展，人们在充分享受丰富的物质生活的同时，能源短缺和环境污染业已成为人类社会面临和亟待解决的关乎人类生存的重大问题。光催化具有光解水制氢和光降解有机污染物的功能，其利用的是清洁可再生的太阳能，将低密度的太阳能转化为高密度的氢能，并能够降解和矿化有机污染物，在解决能源和环境问题方面具有重要的应用前景。长久以来，TiO₂以其廉价无毒，催化活性高，化学稳定性好等优点受到广泛关注。但是以TiO₂为代表的传统光催化材料存在光响应范围窄和光催化量子效率低等缺点。解决途径主要包括两方面，一方面是对TiO₂进行掺杂改性，另一方面是开发非TiO₂光催化材料。

层状化合物是一种具有良好光催化活性的光催化材料，它独特的层状结构能够有效地分离光生电子和空穴，从而提高光催化效率。作为铋基化合物中的一大类，Aurivillius层状化合物具有结构通式(Bi₂O₂)[A_n-1B_nO_3n+1]。Bi₄Ti₃O₁₂化合物是一种类钙钛矿型层状化合物。在Bi₄Ti₃O₁₂的结构中，(Bi₂O₂)²⁺层之间夹着三个(Bi₂Ti₃O₁₀)²-类钙钛矿氧八面体层。Yao等人(Yao W F，Wang H，Xu X H，Shang S X，Hou Y，Zhang Y，Wang M.Mater.Lett.2003，57，1899-1902)用化学溶液分解法得到了Bi₄Ti₃O₁₂的纯相粉体，并研究了各种条件对其光催化性能的影响。实验表明Bi₄Ti₃O₁₂对甲基橙具有良好的降解能力，其机理认为是Bi₄Ti₃O₁₂的层状结构有利于光生电子-空穴在(Bi₂O₂)²⁺层和(Bi₂Ti₃O₁₀)^2-层间传输，从而降低了相应的载流子重新复合，提高了光催化效率。Bi₂WO₆、Bi₂MoO₆等具有类似层状结构的光催化材料相继被制备出来。Bi₂TiO₄F₂是同Bi₄Ti₃O₁₂具有类似钙钛矿层状结构的氟氧化合物。Bi₄Ti₃O₁₂中的TiO₆八面体被Bi₂TiO₄F₂中的TiO₄F₂八面体所替代。氟元素是电负性最强的元素，极强的电负性使其对电子具有较大的牵引力。已有报道证明氟的存在不仅能够调控TiO₂活性面的暴露，而且能够提高锐钛矿物相的结晶性，并且能促进活性物质羟基自由基的生成。目前的研究主要集中于表面氟化或者氟元素掺杂，较少提及如Bi₂TiO₄F₂的氟氧化合物光催化材料。对于Bi₂TiO₄F₂的研究主要致力于解释其结构和关注其铁电性质，没有研究其光催化性能的相关报道。Bi₂TiO₄F₂最初以固相方法合成，但其结晶性较差并存在少量杂质相。Kodama等(Kodama H，Izumi F，Watanabe A.J.Solid State Chem.1981，36349-35)利用一种水热技术制备出高结晶性高纯度Bi₂TiO₄F₂，Richard(Needs R L，Dann S E， Weller M T.Cherryman J C，Harris R K，Robin K H.J.Mater.Chem.2005，15，2399-2407)等使用相同方法制备出材料并对其进行结构解析。但是该方法要求条件苛刻，反应温度较高，反应时间较长。因此，以一种简单易行的方法合成氟氧化合物Bi₂TiO₄F₂，并对其光催化性能进行研究具有重要意义。