[发明专利]一种氧化铋敏化二氧化钛纳米管光催化剂的制备方法及其在降解有机污染物中的应用

说明书

技术领域：

本发明涉及催化材料和环境化工的技术领域，具体涉及一种氧化铋敏化二氧化钛纳米管光催化剂的制备方法及其在降解有机污染物中的应用。

背景技术：

总体来说，我国淡水资源缺乏，且随着经济的发展，水资源保护的重要性日益显现。如：目前我过河道水污染严重，已经严重影响了农村灌溉和饮用用水，而光催化是一种有效的处理方法。随着水资源危机的加剧，如何合理而有效的处理废水，使其变废为宝，是环境保护和综合利用能源的重要研究课题。

二氧化钛（TiO₂）以其无毒、催化活性高、稳定性好等优点近年来倍受人们的青睐，是目前研究中采用得最多、最理想的光催化剂。其应用范围极其广泛，在有机废水处理及其检测、空气净化、灭菌消毒、防污清洁、化学合成等领域有着巨大的潜在应用价值。它不仅可以将光能转化成化学能，还能在以TiO₂为光催化剂的光照条件下，使工业污水和生活污水中的大量有毒、有害的有机污染物发生氧化-还原反应，逐步降解，最终完全氧化成为环境友好的二氧化碳、水和无毒有机物，从而使污水达到排放标准或者用来改善水质。近年来，已发现废水中有3000多种难降解的有机污染物，可通过纳米TiO₂的光催化作用使其降解为二氧化碳、水和无毒有机物。

但是，纳米TiO₂的禁带宽度为3.2eV，光谱响应范围较窄，光吸收波长主要集中在小于387nm的紫外区。只有波长小于387nm的紫外光激发才会使其产生光催化效应，产生具有很强氧化和还原能力的空穴（h⁺）和电子（e^-）。这些h⁺和e^-与OH或H₂O结合会产生氧化性很强的·OH自由基，使许多化学反应发生。而太阳光中，这部分光仅占照射到地面的太阳光总能量的4%，限制了对太阳能的利用。因此，通过表面修饰等方法提高TiO₂可见光催化活性已成为光催化领域的一个研究热点。

最新研究发现，两种不同禁带宽度的半导体复合，能促进电荷分离，抑制电子-空穴的复合和扩展光谱吸收范围。因此，将二氧化钛与窄禁带宽度的半导体材料进行复合，是有效提高催化剂光催化活性的一个新的研究方向。氧化铋（Bi₂O₃）半导体的禁带为2.8eV，可以很好的活化吸收可见光，但其光生电子-空穴对的氧化还原电势不利于催化氧化物质，且极易重新复合和容易发生光腐蚀，使用寿命有限。由于Bi₂O₃的导带和价带能级都比TiO₂的高，Bi₂O₃与TiO₂半导体复合，在可见光波长范围内，发生电子跃迁后，光生电子留在Bi₂O₃的导带上，光生空穴则迁移到TiO₂的价带上，从而起到了抑制光生电子-空穴复合的作用，形成了降解有机污染物的可见光催化剂。同时，Bi₂O₃与TiO₂半导体复合，可以有效抑制光腐蚀的发生，在实际应用方面具有特别重要的意义。

发明内容：

本发明的目的是提供一种氧化铋敏化二氧化钛纳米管光催化剂的制备方法及其在降解有机污染物中的应用。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

一种氧化铋（Bi₂O₃）敏化二氧化钛（TiO₂）纳米管光催化剂的制备方法，将制备好的TiO₂纳米管薄膜垂直浸渍入浓度为0.01～1.0mg/L的Bi(NO₃)₂溶液中，放置24h，然后取出用去离子水冲洗后于60℃真空干燥箱内烘10h，最后置于马弗炉中以2℃/min的升温速率升温到400℃，保温4h，之后采用2℃/min的降温速率冷却后至60℃后得到目标产物。

所述TiO₂纳米管薄膜是这样制备的：

先以本领域常规水热法合成二氧化钛纳米管，然后以乙醇或丙酮作为溶剂，配制浓度为50g/L的二氧化钛纳米管浆料，并通过涂覆方法或丝网印刷方法将其固定在ITO玻璃、FTO玻璃或者不锈钢片等普通载体材料上制得厚度为50μm的TiO₂纳米管薄膜。