[发明专利]一种降解废水中染料的可见光催化剂及其制备和应用

说明书

本发明涉及光催化领域，特别涉及一种降解废水中染料的可见光催化剂及其制备和应用。该降解废水中染料的可见光催化剂，其特征在于：以骨架含有Ti原子的介孔二氧化硅为载体，所述介孔二氧化硅载体上负载着石墨相碳化氮，所述石墨相碳化氮上掺杂二价Cu离子；其中，所述掺杂二价铜离子的石墨相碳化氮为主催化剂，Ti元素为助催化剂；本发明介孔二氧化硅骨架中含有的Ti原子会直接与光类芬顿体系中的H₂O₂反应，产生羟基自由基，从而显著提高光类芬顿反应的活性；本发明的光催化剂催化降解废水中的甲基橙和/或罗丹明B，在可见光照射下，室温条件进行降解，反应条件温和，成本低，易于实现；且很容易再生使用，再生多次后仍有非常好的光催化性能。

技术领域

本发明涉及光催化领域，特别涉及一种降解废水中染料的可见光催化剂及其制备和应用。

背景技术

印染废水由于具有色度深、毒性强、难降解、pH值波动大等特点，采取常规方法难以对其进行有效的处理。芬顿技术是高级氧化技术中最常见的一种方法，其利用二价铁离子和双氧水产生强氧化性的羟基自由基将有机分子彻底氧化。但是此方法存在不足之处：对反应体系的pH值要求苛刻 (通常只在pH 2.5～3.5的范围内才有高的催化活性)， 并且还存在催化剂难以分离与回收、 铁离子流失造成二次污染等缺点。为了克服这些缺点，类芬顿催化剂得到了广泛的研究，目前主要是可以用铁矿物或其他元素如铜、锰、铈等代替二价铁离子。开发高活性的类芬顿催化剂是该研究领域的关键。

近年来随着研究的深入，光催化氧化技术以其能耗低、反应条件温和、操作简单、成本低等独特的优势迅速成为21世纪水处理技术领域研究的热点课题之一；若将光催化技术与类芬顿技术耦合，也就是光类芬顿技术，能够有效解决类芬顿技术的缺陷，并能表现出更高的催化活性。

石墨相碳化氮(g-C₃N₄)，因其独特的石墨状片层结构和氮取代掺杂，使其成为一种既具有强吸附能力，又具备良好的导电性能，同时还能对可见光进行响应的新型二维纳米半导体材料，引起研究者的关注。将合适的类芬顿活性成分与石墨相碳化氮进行复合，在印染废水的处理中得到一些报道。例如，公开号为CN 104923276 A 的中国专利公开了石墨相碳化氮与铁酸镍复合光催化剂对亚甲基蓝的光类芬顿降解，该方法提供的催化剂虽然取得较高的降解率，但耗时较长。公开号为CN104437643A的中国专利公开了石墨相碳化氮与铁配合物复合物用于亚甲基蓝、罗丹明B和甲基橙的光类芬顿降解，虽然在较短时间内，取得较高的降解率，但是催化剂再生后的催化效果仍然需要进一步提高。

以上已公开的专利文件中均采取已有的石墨相碳化氮和类芬顿活性组分在溶液中搅拌、干燥；并且催化剂制备过程中，均没有大比表面的刚性载体，这将导致活性组分不能得到充分高效利用，催化剂再生后的效果不是非常理想。

发明内容

本发明为了弥补现有技术的缺陷，提供了一种可见光响应、成本低、降解效率高、稳定性好的降解废水中染料的可见光催化剂及其制备和应用。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种降解废水中染料的可见光催化剂，其特征在于：以骨架含有Ti原子的介孔二氧化硅为载体，所述介孔二氧化硅载体上负载着石墨相碳化氮，所述石墨相碳化氮上掺杂二价Cu离子；其中，所述掺杂二价铜离子的石墨相碳化氮为主催化剂，Ti元素为助催化剂。

其中基于催化剂总质量计，Ti元素的质量百分比为0.2~2wt %，Cu元素的质量百分比为0.5~3 wt %，石墨相碳化氮的质量分数为5~15 wt%，其余为SiO₂。

优选的，所述介孔二氧化硅为MCM型系列。

进一步的，所述介孔二氧化硅为MCM-48型，使用该型介孔二氧化硅作为载体，催化效率最高。

所述降解废水中染料的可见光催化剂的制备方法，包括以下步骤：