[發(fā)明專利]一種嵌入異質(zhì)結一維摻雜TiO2光催化劑及其制備和應用

有效

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• 申請日: 2008-02-27
• 公開（公告）號: CN101279251A
• 公開（公告）日: 2008-10-08
• 發(fā)明（設計）人: 趙偉榮;郭森;吳忠標
• 申請（專利權）人: 浙江大學;浙江天藍脫硫除塵有限公司
• 主分類號: B01J21/06
• 分類號: B01J21/06;B01J23/14;B01J23/06;A61L9/22
• 代理公司: 杭州中成專利事務所有限公司
• 代理人: 馮子玲

技術領域

本發(fā)明屬于化工以及環(huán)保技術領域，涉及一種光催化劑及其制備和應用，尤其是指一種嵌入異質(zhì)結一維摻雜TiO₂光催化劑，以及該催化劑的制備方法及在室內(nèi)空氣污染方面的應用。

背景技術

隨著工業(yè)化和城市化進程的加快，室內(nèi)空氣污染日益嚴，其中VOCs(可揮發(fā)性有機物)種類多、毒性大、濃度低，直接影響人們的健康和生命。為治理室內(nèi)空氣污染，人們多采用開窗通氣、種植綠色植物、活性炭吸附等方法，但普通的治理方法效果并不理想。某些治理方法，比如活性炭吸附僅僅是把室內(nèi)空氣污染物從氣相轉(zhuǎn)移到固相，不能徹底清除污染物，需要再生使用，且存在著二次污染的危險。二十世紀九十年代，國際上開始嘗試用光催化法去除VOCs。有研究發(fā)現(xiàn)，在VOCs的去除方面，氣相光催化具有以下優(yōu)點：反應可在常溫常壓下進行，并直接以大氣中的氧氣作氧化劑，反應效率高；催化劑易回收，可實現(xiàn)連續(xù)化處理；可使用能量較低的光源，光利用率高，易實現(xiàn)完全氧化；反應光源屬冷光，對環(huán)境溫度無顯著影響；氣相中分子的擴散速率高，反應速度快。所用TiO₂光催化劑不僅具有活性高、熱穩(wěn)定性好、持續(xù)性長，對人體無害等優(yōu)點而且還具有殺菌、除臭、自潔凈等作用，在凈化VOCs上具有很大的應用前景。

然而TiO₂禁帶較寬(3.2eV)，在可見光范圍內(nèi)沒有響應，僅能吸收小于387nm的紫外光，對太陽光利用率低(約3～5％)；光生電子-空穴復合率高，光催化量子產(chǎn)率低，催化效率低，這兩個方面制約了TiO₂光催化材料的應用。因而近年來對TiO₂光催化材料的研究主要集中在以下兩個方面，一是通過表面光敏化、非金屬摻雜或者金屬摻雜拓展其可見光響應范圍。二是通過控制TiO₂粒徑、貴金屬沉積或者構建異質(zhì)結等方法提高其光量子產(chǎn)率，進而提高其光催化效率。此外，最近相關研究表明，一維結構的TiO₂光催化材料(比如TiO₂納米管、納米棒)中的光生電子的轉(zhuǎn)移不同于普通粉體TiO₂光催化材料，呈現(xiàn)出優(yōu)異的光催化性能。

在拓展TiO₂可見光響應范圍方面，非金屬摻雜被認為是最有效及最有前景的技術，該技術通過引入摻雜能級，調(diào)控TiO₂半導體的能帶結構，實現(xiàn)光催化劑的可見光化，比如Asahi等(Asahi?R，Morikawa?T，Ohwaki?T，Aoki?K，Taga?Y.Visible-Light?photocatalysis?innitrogen-doped?titanium?oxides.Science，2001，293：269-271)采用高溫濺射法制備了氮摻雜TiO₂薄膜及粉術，實現(xiàn)了TiO₂的非金屬摻雜，光響應拓展到600nm；專利《摻氮二氧化鈦光催化劑的制備方法》(CN1257013C)提供了一種可見光響應的二氧化鈦光催化劑的固相反應制備方法，該方法以尿素和TiO₂或其前驅(qū)體發(fā)生反應，生成氮摻雜的二氧化鈦光催化劑，降低了二氧化鈦光催化劑的禁帶寬度，具有對可見光的吸收能力。然而氮元素的摻雜易引入雜質(zhì)能級，加快電子孔穴對復合。

在提高其光量子產(chǎn)率方面，構建異質(zhì)結以耦合不同半導體的能級結構，可實現(xiàn)電子空穴的定向遷移，降低電子空穴對復合幾率，提高TiO₂光催化性能，比如Vinodgopal等(KVinodgopal，Prashant?V?Kamat.Enhanced?rates?of?photocatalytic?degradation?of?an?azo?dye?usingSnO₂/TO₂?coupled?semiconductor?Thin?Films.Environ.Sci.Technol，1995，29：841-845)，構建SnO₂/TiO₂異質(zhì)結，促進了電子—空穴的分離，光催化降解酸性橙II的能力較納米TiO₂高6倍以上；專利《一種制備二氧化錫/二氧化鈦納米復合材料的方法》(CN1872787A)提供了一種溶膠-凝膠法制備二氧化錫/二氧化鈦納米復合材料的方法。所得二氧化錫/二氧化鈦納米復合材料提高了系統(tǒng)的電荷分離效果，與純的TiO₂相比，表現(xiàn)出更高的光催化能力。然而該類材料在拓展可見光范圍方面的應用尚未提及。