[发明专利]一种毛线团状三氧化钨光催化剂及其绿色合成方法

说明书

本发明公开了一种毛线团状三氧化钨(WO₃)光催化剂及其绿色合成方法。该催化剂整体为毛线团状，内部由大量纳米片先层层堆积再折叠组装而成；以无毒、价廉易得的氯化钠、无水乙醇为绿色添加剂，通过溶剂热法制备。结果显示：适量氯化钠和少量无水乙醇的加入，使得纳米片能够定向组装成毛线团状结构，提供更多的活性位点，能够有效实现废水降解，可以实现高效产氧。该催化剂制备方法的成功研制，对环境的保护、三氧化钨催化剂合成成本的降低，进而对可见光催化降解废水、光解水来解决能源危机有一定的理论和实践意义。

技术领域

本发明涉及光催化领域，更具体地说，涉及一种毛线团状三氧化钨光催化剂及其绿色合成方法，该催化剂可以用来进行光降解有机物、光催化分解水等光催化领域研究及应用。

背景技术

光催化，半导体外层电子受到外界光子能量辐射被激发，从价带跃迁到导带，在导带上产生空穴，而空穴具有较强的催化氧化能力。

三氧化钨具有光催化降解有机污染物活性高、环境污染小、毒性低、稳定性高等特点。根据WO₃的能带结构，其禁带宽度较窄，约2.7eV，能够有效地响应可见光，能够有效地吸收可见光。尽管WO₃的光催化能力引起了人们极大的兴趣，并被成功应用于多种光催化分解水反应体系，但合成过程中大多选用一些昂贵的贵金属沉积来减小禁带间隙，加入有机模板剂来得到理想的催化剂形貌，加入氢氟酸类腐蚀性液体来暴露某特定晶面等方法制备高活性的光催化剂。因此，寻求一种WO₃催化剂的绿色合成方法，使该催化剂不仅具有高催化活性，并且合成成本低廉、环境污染少、操作简便，成为光催化领域的研究热点之一。

在最近二十年来，有关三氧化钨不断递增的研究中，不同结构、形貌的纳米三氧化钨已经被成功合成，如单晶、立方、六方晶型；零维的实心球、中空球、核壳球，一维纳米线、纳米管、纳米带、纳米环，三维纳米立方体、八面体、楔形结构等均有报道过。众所周知，在这些结构中二维纳米片最不易合成。因为薄片结构意味着纳米晶体仅沿着某特定方向生长，稍有杂质掺入，即会生长成块体、八面体等暴露晶面众多的结构。但是，如果晶体生长过程中，若只有纳米薄片出现，势必会造成晶体堆积团聚严重，孔道结构较少，造成活性位点明显降低。球形或者花状、团状结构，因其较大的比表面积，更有利于增强晶体对反应物的吸附能力。

因此，制备由纳米薄片组装而成的毛线团状(具备多活性位点结构)的三氧化钨，同时兼顾合成过程中使用无毒、价廉易得的添加剂等绿色合成方法，则显得尤为重要。

发明内容

技术问题：为了改善催化剂合成中以添加有毒物质为代价来提高可见光催化效率的现状，本发明提出了一种毛线团状三氧化钨光催化剂及其绿色合成方法。该毛线团状催化剂，为六方晶型WO₃·1/3H₂O，内部为大量不规则氧化钨纳米片(这些纳米片先层层堆积再折叠组装形成毛线团状结构)；以无毒、价廉易得的氯化钠、无水乙醇为绿色添加剂定性定量合成。因催化剂表面粗糙、拥有大量的疏松孔道，在可见光区域表现出了良好的催化活性，量子效率有明显提高。

技术方案：本发明的毛线团状三氧化钨光催化剂，以无水乙醇和水的混合液为溶剂、氯化钠为定晶剂，其具体制备方法如下：

室温下，将盐酸溶液滴加到钨酸钠溶液中，先产生白色沉淀后沉淀消失，再调节溶液pH＝0.5～1，随后加入乙醇溶剂，其中无水乙醇在反应溶液中的体积分数为2～50％，优选5％；接着加入定晶剂氯化钠，其中钨酸钠与氯化钠的摩尔比为4:1～1:8，优选1:1；搅拌均匀后，移入水热反应釜，持续搅拌下100～180℃恒温晶化3～24h，自然冷却至室温；经超声震荡、离心洗涤、冷冻干燥，即得毛线团状三氧化钨光催化剂。