[發(fā)明專利]一種可見光催化材料及其制備方法與應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010600382.3
• 申請日: 2010-12-21
• 公開（公告）號: CN102080262A
• 公開（公告）日: 2011-06-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃富強(qiáng);吳建軍
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C30B29/22
• 分類號: C30B29/22;C30B7/10;B01J23/18;B01J23/14;B01J37/00
• 代理公司: 上海光華專利事務(wù)所 31219
• 代理人: 許亦琳;余明偉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種可見光催化材料及其制備方法與應(yīng)用，尤其是涉及一種用于凈化環(huán)境的可見光催化材料及其制備方法與應(yīng)用，屬于功能材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

自1972年Fujishima和Honda發(fā)現(xiàn)在TiO₂電極材料表面光響應(yīng)產(chǎn)氫現(xiàn)象以來(Fujishima，A.Honda，K.，Nature?238，37-38)，光催化作為解決環(huán)境污染和能源危機(jī)一種潛在技術(shù)引起全世界的關(guān)注。在半導(dǎo)體光催化過程中，光照射激發(fā)價(jià)帶中的電子躍遷至導(dǎo)帶，在導(dǎo)帶上形成光生電子和價(jià)帶上形成光生空穴；載流子遷移到粉末顆粒表面后，充分與周圍的環(huán)境作用，發(fā)生復(fù)雜的氧化、還原反應(yīng)。TiO₂粉體具有優(yōu)異的光催化活性，特別是以P25為代表的一系列商品化TiO₂納米粉體，更是顯示了優(yōu)異的光催化性能，然而粉體回收困難，而且會對原體系造成二次污染，無法在循環(huán)系統(tǒng)下重復(fù)利用，而且本征的TiO₂只具有紫外光響應(yīng)性，從而限制了它在諸多領(lǐng)域的應(yīng)用。

尋找新型高效可見光催化劑一直是光催化技術(shù)領(lǐng)域一項(xiàng)長期而艱巨的任務(wù)，它是光催化技術(shù)能夠得以大規(guī)模推廣應(yīng)用的核心所在。基于能帶理論的觀點(diǎn)，能帶(導(dǎo)帶和價(jià)帶)中電子軌道的雜化或彌散狀態(tài)，能降低載流子(電子和空穴)的有效質(zhì)量，提高載流子的傳導(dǎo)能力，加速電子-空穴分離。過去的30年里，人們廣泛研究了基于d⁰和d¹⁰電子構(gòu)型的氧化物光催化材料。d⁰型的氧化物光催化劑，價(jià)帶一般都是由O2p組成，導(dǎo)帶由過渡金屬的d⁰(Md⁰)軌道組成。因?yàn)閮r(jià)帶中的O2p是相對定域的深能級，導(dǎo)帶中的Md⁰軌道不彌散，d⁰型的光催化劑常常很難具有可見光響應(yīng)，而且性能通常遜于d¹⁰型的光催化劑。對于d¹⁰型的光催化劑，價(jià)帶雖然也通常是由O2p組成，但是其導(dǎo)帶因?yàn)橛斜容^彌散的sp雜化形成，使得光生電子具有較高的遷移率和傳輸能力。然而，這類d¹⁰型的過渡金屬氧化物通常是采用固相燒結(jié)的方法制得，容易團(tuán)聚、不利于染料等有害物質(zhì)的吸附，嚴(yán)重限制了其催化性能的提升。此外，如果能在相對雜化的導(dǎo)帶基礎(chǔ)之上，還能將價(jià)帶調(diào)控到一個(gè)相當(dāng)彌散的狀態(tài)，那么電子-空穴對的分離與傳輸能力將大大提高，從而顯示出更優(yōu)異的催化性能。

綜上所述，運(yùn)用一種工藝簡單而成本低廉的制備方法，開發(fā)具有彌散能帶結(jié)構(gòu)的高效可見光催化劑就顯得尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種可用于環(huán)境凈化的可見光催化材料及其制備方法，以提高可見光催化材料在染料降解與有毒氣體凈化方面的性能。

本發(fā)明的構(gòu)思為：能帶(導(dǎo)帶和價(jià)帶)中電子軌道的雜化或彌散狀態(tài)，能降低載流子(電子和空穴)的有效質(zhì)量，提高載流子的傳導(dǎo)能力，加速電子-空穴分離。電子構(gòu)型為d¹⁰的化合物，如In³⁺、Sn⁴⁺、Sb⁵⁺、Bi⁵⁺、Ga³⁺、Ge⁴⁺等，由于導(dǎo)帶中有sp軌道的雜化而顯得彌散，降低了光生電子的有效質(zhì)量，使得電子的傳輸更加通暢。而若能在導(dǎo)帶彌散的同時(shí)，調(diào)控價(jià)帶為雜化的彌散結(jié)構(gòu)，那么光生空穴的遷移率也將大大增強(qiáng)，更有利于光催化過程中光生電子-空穴的分離，提高光催化效率。Bi³⁺(6s²6p⁰)由于填滿的6s軌道在價(jià)帶與O2p能有效的雜化，使得價(jià)帶彌散化，并提高光生空穴的遷移。Bi基錫酸鹽可以生動的闡釋如上的構(gòu)思模型；而且具有化學(xué)穩(wěn)定好的優(yōu)點(diǎn)，有望成為新型的高效可見光催化材料。因此，我們選擇了Bi₂Sn₂O₇作為研究對象。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種用于凈化環(huán)境的可見光催化材料，其特征在于，所述可見光催化材料是一種具有彌散能帶結(jié)構(gòu)的間接帶隙半導(dǎo)體，為晶態(tài)納米材料，其化學(xué)組成為Bi₂Sn₂O₇。

較佳的，所述間接帶隙半導(dǎo)體的光學(xué)禁帶寬度(帶隙)為2.68-2.78eV。

較佳的，所述可見光催化材料的粒徑為5-10nm。