[发明专利]光催化剂复合结构体及其制备方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种主干-分支光催化剂复合结构体材料，主要用于紫外及可见光下降解有机污染物的环保领域，以及在光催化分解水制氢的能源领域。

【背景技术】

TiO₂、ZnO、NiO等氧化物半导体材料在一定条件下具有很强的氧化能力，可实现对有毒有机物的降解；并且无毒、稳定、成本低廉，在治理环境污染领域具有广阔应用前景。但是这些光催化材料仅能吸收太阳光中的紫外光，且光激发产生的电子和空穴容易复合，造成光能利用率低、量子效率低等问题。很多研究通过金属或非金属元素掺杂、表面贵金属沉积、与CNTs或石墨烯复合以及与其它半导体复合等方法对光催化剂改性，改性的目的主要在于：拓宽光吸收强度和范围、抑制光生载流子的复合。

石墨型氮化碳(g-C₃N₄)成为了光催化领域研究的热点，一方面，g-C₃N₄在光照射下和在pH为0到14的溶液中均表现出极高的稳定性，被认为是所有碳氮同素异形体中最稳定的；另一方面，g-C₃N₄属于一种有机聚合物半导体，禁带宽度为2.73，光吸收范围扩展到了450nm的可见光区，能够在可见光下进行光催化分解水制氢。但是，g-C₃N₄在光照下产生的光生载流子易复合，导致其光催化效率较低。为解决上述问题，许多研究提出了对g-C₃N₄改性的方法，并取得了显著效果。如以SBA-15为模板，以氨腈为前驱体，制备出介孔g-C₃N₄纳米棒，比表面积比一般制备的块状g-C₃N₄提高了10-20倍，然后以介孔g-C₃N₄纳米棒为载体，负载贵金属Pt、Au后成功地将水还原为氢气；将TiO₂负载于g-C₃N₄上，使C₃N₄／TiO₂的光吸收范围扩展到300至450nm，提高了可见、紫外光的利用率，同时，C₃N₄与TiO₂接触界面形成的异质结，促进了光生电子-空穴分离，光催化降解结果表明，C₃N₄／TiO₂对苯酚的降解率分别是C₃N₄和TiO₂的2.41和3.12倍。

碳纳米管(CNTs)具有良好的机械性能以及电子储存和传导性能，在光催化领域广泛用作光催化剂的载体，来促进光催化材料中光生载流子的分离，并取得了良好效果。通过将C₃N₄前驱体氨腈与多壁碳纳米管(MWNTs)混合加热的方法，制备出g-C₃N₄／CNTs复合光催化剂，结果表明，光催化产氢速率比单独g-C₃N₄提高了3.7倍。此外，CNTs／TiO₂复合光催化材料的光催化性能也得到了广泛研究，以钛酸四丁酯为钛源，采用溶胶-凝胶法使其负载于均匀分散的碳纳米管表面，制备出TiO₂／CNTs复合光催化剂，通过甲基橙的降解实验结果表明，TiO₂／CNTs复合物在TiO₂含量相对较少的情况下，光催化性能仍高于相同条件下的纯TiO₂，其中，CNTs在复合光催化体系中起到了重要的光生电子导出作用。