[發(fā)明專利]一種光催化材料及其制備方法和用途

在審

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• 申請日: 2017-02-28
• 公開（公告）號: CN106881137A
• 公開（公告）日: 2017-06-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王丁;曾明樹;盧冰潔
• 申請（專利權(quán)）人: 中紫能源科技(舟山)有限公司
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/10;B01J35/06;C01B3/04
• 代理公司: 北京卓唐知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11541
• 代理人: 龔潔

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，涉及一種光催化材料，具體來說是一種用于可見光分解水制氫氣的光催化材料及其制備方法。

背景技術(shù)

納米ZnO作為一種重要的催化劑，因其具有較高的光催化活性、無毒、較低的介電常數(shù)、強的紫外與紅外吸收以及光電化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點，在光催化降解污染物方面受到廣泛關(guān)注。但是ZnO的帶隙能較寬，對于光的吸收僅局限于紫外區(qū)，并且電子-空穴對的復(fù)合幾率高，大大限制了其推廣應(yīng)用。所以要提高ZnO的光催化性能需要對ZnO進行改性，一方面降低禁帶寬度，使其在可見光區(qū)和紫外光區(qū)都表現(xiàn)出好的光電響應(yīng)，另一方面需要抑制光生電子-空穴對的復(fù)合。其中一種有效途徑是復(fù)合兩種帶隙相近的半導(dǎo)體形成固溶體，制備出帶隙寬度連續(xù)變化可見光響應(yīng)光催化劑。

GaN是一種寬禁帶半導(dǎo)體，室溫下禁帶寬度為3.4eV。常溫下有纖鋅礦、閃鋅礦和巖鹽礦三種晶體結(jié)構(gòu)，其中熱力學(xué)最穩(wěn)定的是纖鋅礦結(jié)構(gòu)，晶格參數(shù)為a＝0.319，c＝0.519。GaN具有優(yōu)良的光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)和優(yōu)異的機械性質(zhì)、熱穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于發(fā)光二極管和激光二極管，同時可用于光電極，而且已被證實在紫外光下具有光催化全分解水的能力。通過固溶體的制備，GaN基材料的禁帶寬度可以從InN的1.89eV到AlN的6.2eV之間連續(xù)變化，對應(yīng)于波長為210nm到660nm的發(fā)光區(qū)，這個波段覆蓋了整個紫外區(qū)和大部分的可見光區(qū)。六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO和GaN具有相似的禁帶寬度，非常接近的晶格參數(shù)，可以形成具有相同晶體結(jié)構(gòu)的固溶體。Maeda K課題組對ZnO和GaN形成的固溶體進行了深入的研究，研究結(jié)果表明通過控制制備條件和產(chǎn)物中Zn的含量，可以將固溶體的禁帶寬度降低至2.29eV。

Zou課題組將GaN:ZnO固溶體在可見光下光催化降解四種多環(huán)芳烴(分別是菲(PHE)，蒽(ANT)、苊(ACE)，和苯蒽(BaA))，實驗結(jié)果表明GaN:ZnO固溶體在可見光區(qū)對多環(huán)芳烴的降解表現(xiàn)出優(yōu)異的光催化性能，對四種多環(huán)芳烴的光催化活性關(guān)系是PHE>BaA>ANT>ACE。鑒于(GaN)1-x(ZnO)x固溶體具有較小的帶隙能和可見光響應(yīng)特性，將GaN和ZnO復(fù)合后用于光解水制氫具有重要的研究意義，但是現(xiàn)有的GaN和ZnO復(fù)合材料比表面較小，對可見光吸收較弱及納米光催化材料不穩(wěn)定的問題嚴重制約了該項技術(shù)的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種光催化材料及其制備方法和用途，所述的這種材料制備方法要解決現(xiàn)有技術(shù)中的材料比表面較小，對可見光吸收較弱及納米光催化材料不穩(wěn)定等技術(shù)問題。

本發(fā)明提供了一種光催化材料，由空心(GaN)_1-x(ZnO)_x復(fù)合納米纖維和Rh_2-yCr_yO₃復(fù)合制成，其中，0<x<1，0<y<2，所述的Rh_2-yCr_yO₃占所述的光催化材料的質(zhì)量百分比為1-5wt％。

進一步的，所述的空心(GaN)_1-x(ZnO)_x復(fù)合納米纖維為固溶體結(jié)構(gòu)，空心(GaN)_1-x(ZnO)_x復(fù)合納米纖維的外徑分布在100～300nm之間，管壁厚度為20～50nm。

進一步的，所述的空心(GaN)_1-x(ZnO)_x復(fù)合納米纖維中，GaN和ZnO的摩爾比為1:4～1:2。

本發(fā)明的光催化材料主要技術(shù)指標如下：

1.晶體結(jié)構(gòu)：(JCPDS 50-0792)和ZnO(JCPDS 36-1451)形成固溶體；

2.形貌：空心纖維結(jié)構(gòu)，外徑分布在100-300nm之間，管壁厚度為20-50nm；

3.比表面：31.52m²/g；

本發(fā)明還相應(yīng)的提供了上述的光催化材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)通過靜電紡絲法制備空心(GaN)_1-x(ZnO)_x復(fù)合納米纖維，其中，0<x<1；