[发明专利]氮-二氧化钛/三氧化二铋三元复合光催化材料及制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮-二氧化钛/三氧化二铋三元复合光催化材料及制备方法和用途。

背景技术

利用半导体光催化技术降解废水及空气中的有机污染物的研究十分活跃，开发在可见光下具有高光催化活性的催化材料已经成为光催化研究的热点。

二氧化钛(TiO₂)是一种环境友好绿色功能材料，在光照射下形成强氧化氛围，几乎能将所有的有机毒物质彻底氧化分解成二氧化碳，水等无毒的小分子物质。太阳能是清洁而经济的能源，TiO₂光催化剂的禁带宽度为3.2eV，在到达地面的太阳能辐射波中，只能吸收占到达地面太阳光能5％以下的紫外光(λ＜387nm)，不能有效利用太阳光中占绝大多数的可见光部分，利用效率很低。因此非常有必要开展扩大光催化剂的光响应范围和提高量子效应，提高催化剂对太阳光的利用率。

因此，通过修饰使得TiO₂对可见光有光响应，降低电子与空穴复合机率，高效地利用太阳能来解决环境问题成为TiO₂光催化领域研究的一大热点。最著名的TiO₂商业产品是Degussa P25，被作为标准参照物广泛用于实验室和工业应用探索研究。

近年来，国内外科研工作者围绕着提高光催化量子效率以及扩展光催化剂光谱响应范围开展了一系列研究，催化剂改性可以归纳为以下四个方面：(1)金属(非金属离子)离子掺杂；(2)贵金属沉积；(3)半导体复合；(4)有机染料光敏化。

自从2001年Asahi等人提出了N掺杂TiO₂能够使其光吸收范围扩展到可见光区域以来，基于N掺杂TiO₂光催化剂的研究和开发引起了人们的广泛关注。非金属离子掺杂是根据非金属离子取代TiO₂中O^2-的位置，引入氧空位，形成的掺杂能级靠近TiO₂价带的位置。由于掺杂能级处禁带之中，可以接收TiO₂价带上的激发电子或者吸收长波长光自使电子跃迁到TiO₂的导带上，从而扩展了TiO₂吸收光谱的范围。

复合半导体的意义首先在于复合具有不同能带结构的半导体微粒，为利用窄带隙的半导体敏化宽带隙的半导体纳米颗粒提供可能性，这对以宽带隙的半导体作为催化剂的光化学反应具有重要的意义。其次在二元复合半导体中，两种半导体之间的能级差能使光生载流子由一种半导体微粒的能级注入到另一种半导体的能级上，导致了有效和长期的电荷分离，这在能量转化和发光二极管方面有很大的应有价值。半导体TiO₂经改性后，在其价带顶或导带底附近产生新的“杂质能级”，可使TiO₂光催化剂对光的吸收发生红移，拓宽其光谱响应范围。

因此，通过参入N元素及半导体Bi₂O₃二者的协同作用可以使光生电子-空穴对获得有效的分离，从而提高TiO₂的光催化性能。分别使用N元素或者复合Bi₂O₃半导体材料对其已经有很多研究，但是将N元素与化合物Bi₂O₃同时复合形成的三元复合光催化材料的研究尚未报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种氮-二氧化钛/三氧化二铋三元复合光催化材料(N-TiO₂/Bi₂O₃)；

本发明的另一目的是提供一种使用操作简便的水热法制备氮-二氧化钛/三氧化二铋三元复合光催化材料(N-TiO₂/Bi₂O₃)；

本发明的又一目的是提供氮-二氧化钛/三氧化二铋三元复合光催化材料N-TiO₂/Bi₂O₃降解有机污染物的用途。

本发明所述的一种氮-二氧化钛/三氧化二铋的三元复合光催化材料，该材料的分子式为N-TiO₂/Bi₂O₃，采用水热法制备，其中N-TiO₂为锐钛矿型，为不溶于水的土黄色粉末。

所述的氮-二氧化钛/三氧化二铋的三元复合光催化材料的制备方法，按下列步骤进行：