[發明專利]一種體相共摻雜可見光光催化材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201710895973.X
• 申請日: 2017-09-28
• 公開（公告）號: CN109569574A
• 公開（公告）日: 2019-04-05
• 發明（設計）人: 李琦;楊煒沂;馮凡
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: B01J23/28
• 分類號: B01J23/28;B01J23/30;B01J27/24;C02F1/30;A61L2/08;A01N59/16;A01P3/00;A01P1/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 許宗富;周秀梅

本發明公開了一種體相共摻雜可見光光催化材料及其制備方法和應用，屬于無機非金屬納米材料制備、太陽能利用與環境保護技術領域。該體相共摻雜可見光光催化材料為金屬和非金屬元素體相共摻雜的二氧化鈦材料，其中金屬元素具有光生電荷存儲與釋放能力，非金屬元素可引起二氧化鈦可見光響應。通過金屬和非金屬元素體相共摻雜進不具可見光響應的二氧化鈦晶格中，可實現該類光催化材料在可見光下對環境中的污染物無間斷地處理，該發明同時解決了二氧化鈦光催化材料無可見光響應和在失去外界光源的能量供應之后反應活性迅速喪失的缺陷。

技術領域

本發明涉及無機非金屬納米材料制備、太陽能利用與環境保護技術領域，具體涉及一種體相共摻雜可見光光催化材料及其制備方法和應用。

背景技術

光催化技術在環境污染治理和潔凈能源生產方面具有巨大的應用價值，其研發重點是設計并合成高效的光催化材料。二氧化鈦由于化學性質穩定、無毒、光催化活性高、廉價易得等優點而成為被研究的最多、最有前途的光催化材料。然而，二氧化鈦的實際應用仍然面臨著以下兩個問題：一是無可見光響應。二氧化鈦由于帶隙較寬，僅能被紫外光激發，然而輻射到地球表面的太陽光中具有高能量的紫外光的含量僅為5％左右，可見光的含量則高達45％，為了提高二氧化鈦對太陽光的利用率，必須提高其對可見光的響應能力。二是在失去外界光源的能量供應之后反應活性迅速喪失，無法僅利用太陽能來持續處理環境中的污染物，必須配置輔助光源才能在黑夜中持續具有反應活性。為了增強二氧化鈦對環境污染的處理效果，降低處理成本和能耗，非常有必要開發出具有光生電荷存儲與釋放能力的二氧化鈦光催化材料(在此稱之為具有光生電荷“記憶效應”的光催化材料)，即光催化材料儲存其在光照條件下產生的光生電子，在光照關閉后通過釋放這些儲存電子產生活性基團，從而使其能在無光條件下較長時間保持活性，實現利用太陽光全天候地對環境中的污染物進行無間斷的處理。

將雜質元素摻雜進二氧化鈦體相中，引入雜質能級，往往能夠減小二氧化鈦的禁帶寬帶，實現二氧化鈦基光催化材料的可見光吸收。現有的技術對于二氧化鈦的金屬摻雜大多用來改變二氧化鈦的能帶結構以及缺陷類型，如若所摻雜的金屬元素具有光生電荷的捕獲能力，將有可能把光照產生的光生電荷進行存儲而克服傳統光催化材料無光下無法工作的缺陷，同時，價態與鈦離子不同的金屬元素的摻雜必然會導致體相晶格缺陷類型的改變，從而更加便于引入非金屬元素進行電荷與缺陷平衡。

因此，具有光生電荷存儲和釋放能力的金屬元素和可引起體相材料可見光響應的非金屬元素的共摻雜可以同時有效地解決以上兩個問題。一方面，金屬非金屬元素共摻雜相比于不摻雜、單一金屬摻雜或單一非金屬摻雜，可以更大程度的減小二氧化鈦的帶隙，提高其對可見光的響應能力，同時金屬非金屬元素之間形成的電荷補償可以使缺陷帶鈍化，從而不能成為光生電子和空穴的復合中心，大大提高了可見光光催化效率。另一方面，具有光生電荷存儲和釋放能力的金屬元素均勻分布于二氧化鈦體相中，在可見光照射下，金屬元素通過改變自身價態存儲電子，光照關閉后，在體相二氧化鈦的晶格場的壓力下，將存儲的電子緩慢釋放進而生成活性基團，實現在黑暗中對環境中的污染物進行持續的處理。

發明內容

為了解決現有技術中存在的二氧化鈦光催化材料無可見光響應和在失去外界光源的能量供應之后反應活性迅速喪失的缺陷，本發明的目的在于提供一種體相共摻雜可見光光催化材料及其制備方法和應用。該體相共摻雜可見光光催化材料為金屬和非金屬元素體相共摻雜的二氧化鈦材料，其中金屬元素具有光生電荷存儲與釋放能力，非金屬元素可引起二氧化鈦可見光響應。通過金屬和非金屬雜質元素體相摻雜進不具可見光響應的二氧化鈦晶格中，可實現該類光催化材料在可見光下對環境中的污染物無間斷地處理。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案如下：

一種體相共摻雜可見光光催化材料，該光催化材料為具有光生電荷存儲與釋放能力的金屬元素與可引起體相材料可見光響應的非金屬元素共摻雜的二氧化鈦基納米材料，該光催化材料能夠在可見光照射下存儲光生電荷，并在關閉光照后將所存儲的光生電荷釋放進而生成活性基團，使該光催化材料在無光照條件下繼續保持活性，實現該光催化材料的連續工作。