[发明专利]一种可见光下高活性光催化材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可见光下高活性光催化材料及其制备方法，属于可见光降解水中有机污染物的催化材料技术领域。

背景技术

随着工业进程的发展，人们的生存条件发生了翻天覆地的变化，生活水平大幅度提高，但与此同时也给人们赖以生存的环境带来了破坏性的影响。每年，大量染料、激素、残余农药等富含苯环、胺基、偶氮基团等致癌、致畸、致突变物质的废水不断地排入江河湖海，不仅给我们人类的健康带来了极大的威胁，也给其他生物的生存带来了极大的影响。激素类物质，例如双酚A，在树脂和塑料生产的排放污水中广泛被发现。由于它对生物的破坏性，激素类物质很难被传统生物水处理工艺去除，因此激素类物质也广泛存在于自来水与处理后的污水中。

如何去除工业废水中含激素类物质的有毒物质已成为人们关注的焦点。半导体光催化材料TiO₂因其高化学稳定性、价廉易得、无毒、催化效率高等优点，被广泛地用来处理上述工业废水中。但是，由于TiO₂的带隙较宽（Eg=3.2~4.5eV），只可利用紫外光（λ<387nm）作为激发源，而太阳光中仅含3%~5%的紫外光，因此，TiO₂在太阳光下直接利用的效率非常低。

为了在降解过程中更加有效地利用太阳能，人们对催化剂进行了大量的改善研究工作，如采用金属离子铁掺杂TiO₂，有人利用溶剂热法获得光催化材料Fe/TiO₂。Fe/TiO₂中形成的Fe-O-Ti链可以减缓光生电子和空穴的复合效应，提高了光生电子和空穴的分离率，从而提高了TiO₂的光催化活性。但是，Fe/TiO₂不具备将可见光转换为紫外光的功能，依然只能利用太阳光中的紫外光，所以对太阳光的利用率不高。采用稀土金属掺杂可以提升TiO₂对可见光的利用率，有人通过采用铒掺杂TiO₂获得的光催化材料Er/TiO₂。Er/TiO₂中形成的Er-O-Ti链具有将可见光转换为紫外光的功能，提升了TiO₂在可见光区的催化效果。但是通过单一元素掺杂TiO₂所获得的催化材料，其在可见光区的催化活性没有显著提升。

发明内容：

本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，利用溶剂热法，通过结合三种修饰改性材料，即碳（光敏化剂传导电子）、铁（降低能带间隙）、铒（将可见光上转化为紫外光），获得了一种在可见光照射下具有高催化活性的光催化材料。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

利用溶剂热法（在反应过程中，把一种或几种前驱物溶解在溶剂中，在液相或者超临界条件下，反应物分散在溶液中发生反应，产物缓慢生成），在TiO₂凝胶形成过程中掺入三种物质，即碳（光敏化剂传导电子）、铁（降低能带间隙）、铒（将可见光上转化为紫外光），进而使TiO₂在可见光下激发，以此来达到利用可见光降解有机污染物的目的。

这种在可见光下具备高活性的上转换发光性光催化材料Fe/Er/C-TiO₂，其成分包括质量分数为0.8%~3.3%铁，和0.9%~3.8%铒以及4.9%~8.1%碳，余量为TiO₂，总量等于100%。

Fe/Er/C-TiO₂光催化材料的制备方法包括以下顺序和步骤：

A、将市售的(纯度≥98%)钛酸正丁酯(Ti(OC₄H₉)₄)溶液以100滴/分钟的速度滴加到市售(纯度≥99%)的异丙醇(C₃H₇OH)溶液中，控制两者的体积比依次为1:8~10，边滴加边搅拌，滴加完成后在室温下将混合溶液持续搅拌30分钟，制得的溶液为无定型TiO₂溶胶，量取95.0~112.0mL的无定型TiO₂溶胶作为A溶液；