[发明专利]铁离子修饰的二氧化铈基光催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种铁离子修饰的二氧化铈光催化剂及其制备方法和应用，以不同形貌的纳米CeO₂为基底，通过使用光沉积法在其表面沉积铁离子来制备Fe/CeO₂光催化剂。通过光催化降解乙醛实验发现当在CeO₂纳米棒表面吸附铁离子后，光氧化降解乙醛能力提升了4.70倍，是CeO₂纳米立方体表面吸附铁离子的2.32倍。本发明所述方法具有原料易获得，工艺简单、设备要求低、制备时间短等优势，更提出在铁离子不同形貌纳米CeO₂表面吸附后对光催化降解乙醛性能的影响。

技术领域

本发明涉及一种光催化剂，具体涉及一种铁离子修饰的二氧化铈基光催化剂及其制备方法、应用，属于光催化剂材料技术领域。

背景技术

近几十年以来，经济飞速发展，人们的生活水平也得到了极大的改善，但随之而来的环境问题却也日益严重。从工厂排放的污水、废气，到日常生活中的汽车尾气和装修带来的各种有害气体都对人们的健康造成了不小的威胁。以挥发性有机物(Volatile OrganicCompounds，简称 VOCs)为主的气体有害污染物更是引起了研究者们的高度重视。自19世纪90年代起，为了缓解环境污染，光催化技术就被科研工作者广泛研究，逐渐被公认为是一种最经济有效的潜在解决办法之一。光催化技术处理有害气体比传统的生物、焚烧、电催化、吸附等处理技术更具优势，具有节能环保、无毒、无污染、能耗低和效率高等特点。如今，光催化技术在治理工业废水和废气等方面已经展现了光明的应用前景，该技术也已经成为治理有害气体的研究热点。氧化铈(CeO₂)是稀土元素中最稳定的氧化物，由于其具有低毒性、高热稳定性和化学稳定性以及良好的抗光腐蚀性等优点，备受研究者关注。

但CeO₂是一种宽禁带半导体，根据制备方法不同，其带隙一般在2.6至3.4 eV的范围内，只能吸收紫外区域和在可见区400 nm之前的区域。这部分能量只占约太阳光谱能量的5%，对太阳光能量的使用率极低。同时，与大多数光催化剂一样，CeO₂的光生电子与空穴的高再复合率也限制了其实际应用价值。为了更有效地利用太阳能，探索新的、具有可见光响应的半导体光催化剂材料并对其改性成为当前光催化剂研究的一个重要研究方向。在众多光催化剂改性手段中，金属沉积是近年来常用并且十分有效的手段。不同于元素掺杂，贵金属的表面吸附是在CeO₂表面吸附Ag、Au、Pt、Pd等贵金属颗粒。一方面，贵金属颗粒具有等离子激元共振效应；另一方面，由于贵金属的费米能级高，可作为电子势阱，半导体激发的光生电子易转移到金属表面，从而促进光生电子空穴的分离，提高量子效率。但贵金属吸附在实际应用上也存在明显的劣势，即成本过高。

总而言之，现有CeO₂光催化剂存在问题是：较弱的可见光吸收、过快的光生电子-空穴再复合以及较高的成本。这意味着亟需研究一种用于解决上述问题的改性方法，以提高光催化效率以及拓宽光催化技术的使用范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铁离子修饰的二氧化铈基光催化剂，使铁离子吸附于棒状CeO₂表面，提高其光催化性能光催化降解挥发性有机物活性。

本发明具体通过如下技术实现：一种铁离子修饰的二氧化铈基光催化剂及其制备方法，包括如下步骤：

步骤一，依次通过水热法和煅烧法，分别制备CeO₂纳米棒（CeO₂-r）材料或CeO₂纳米立方体（CeO₂-c）材料；

步骤二，将上述CeO₂纳米棒材料或CeO₂纳米立方体材料加入无水乙醇和水的混合液中，并加入硝酸铁溶液，通入氮气同时避光搅拌一段时间，继续超声一段时间，停止通氮气后将该混合溶液进行光照，光照结束后立即离心得到沉淀，干燥研磨后得到铁离子修饰的二氧化铈基光催化剂Fe/CeO₂-r或Fe/CeO₂-c。