[发明专利]一种介孔钛酸铋光催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于环境科学与工程学科领域，具体为一种用于光催化降解有机污染物的介孔钛酸铋光催化剂的制备方法。

背景技术

近年来，半导体光催化技术在环境保护以及光解水制氢等方面得到了极为广泛的应用。常用的光催化剂为锐钛矿氧化钛，但由于氧化钛的带隙较宽，只能被波长小于386.5nm的紫外光激发，如果用紫外灯作为光催化光源，会造成大量的能源浪费；此外，目前应用较多的氧化钛纳米粉体颗粒过于细小，如果用于水体净化，则不易从水体中分离回收。因此开发新型半导体光催化剂，要求其粒度较大，容易回收，而且能被可见光激活，具有高的光催化活性，成为目前光催化研究领域的两大研究方向。

多元复合金属氧化物因其晶体和电子结构的多样性，有可能同时具备响应可见光激发的能带结构和高的光生载流子移动性，被作为潜在的高效光催化材料得到了广泛研究。氧化铋和氧化钛复合可形成具有多种晶相结构的复合氧化物，通称为钛酸铋化合物。其中Bi₄Ti₃O₁₂和Bi₂Ti₂O₇由于其突出的铁电和高介电性质常被用于微电子器件的制备。钛酸铋化合物的功能性质取决于它们的结构特殊性，在它们的晶体结构中均存在TiO₆八面体或TiO₄四面体，而与之相连接的BiOn多面体中存在因拥有6s²孤对电子对而具有立体活性的Bi³⁺离子，这使之具有作为光催化活性中心的能力。

钛酸铋(Bi₁₂TiO₂₀)为典型的软铋矿晶体化合物，属于宽带半导体，它同时具有光电、电光、荧光、磁光、声光、旋光及压电等性质。特别是它的优良光电和电光性质，使得其在光电子、光学、光信息处理材料等领域都有着极广阔的应用前景。今年来，研究工作者将其引入到光催化领域中来：文献“Bi₁₂TiO₂₀纳米粉体的制备及其光吸收特性研究 周爱秋，许效红、姚伟峰、曾凡亮化学物理学报2006，Vol.17 No.3”较早研究了钛酸铋纳米粉体的光吸收特性，预示了其作为光催化功能材料的潜力；文献”钛酸铋系化合物的光催化性能研究 许效红，姚伟峰，张寅，周爱秋，侯云，王民，化学学报2005，Vol.63 No.1，5-10”比较了不同晶型结构的钛酸铋的降解能力，并对其进行了分析；文献“Photocatalytic properties of bismuth titanateBi12TiO20 prepared by co-precipitation processing Shihong Xu，Wenfeng Shangguan，Jian Yuan，Jianwei Shi，Mingxia Chen Materials Science and Engineering B 137(2007)108-111”对纳米钛酸铋的可见吸收光谱进行了研究，并评价了其光催化降解苯酚的效果。

但上述钛酸铋光催化材料均为纳米粉体，颗粒度较小，依然无法解决催化剂从水体中分离的问题，因此需要对其结构和形态进行进一步改进，使之能更好的应用于水体净化领域。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于降解有机污染物的具有高光催化活性、大比表面积和微米级团聚体颗粒尺寸的介孔钛酸铋光催化剂及其制备方法。该光催化剂容易分离回收，而且保持了纳米钛酸铋粉体的高催化活性，故具有更好的工业化前景。

本发明提出的用于降解有机污染物的介孔钛酸铋光催化剂，具有独特的介孔结构，比表面积在20～60平方米/克，孔径约为1.7纳米，团聚体颗粒尺寸为5～20微米，组成团聚体的是软铋矿晶型的钛酸铋纳米晶粒(见附图1)。该光催化剂的微观结构见附图2。

本发明中介孔钛酸铋光催化剂的制备方法，包括溶剂热合成过程和后处理过程，利用硝酸铋和钛酸酯为原料，嵌段共聚体表面活性剂为结构导向剂，采用冰乙酸为水解催化剂，首先用溶剂热法制备钛铋复合氧化物，再经过洗涤、过滤、干燥后，高温焙烧脱除嵌段共聚体表面活性剂并使之晶化，形成由软铋矿结晶相堆积而成的介孔钛酸铋光催化剂。

该介孔光催化剂采用溶剂热法合成，其中钛的来源为钛酸酯，铋的来源为五水硝酸铋，合成时各组份的摩尔比为钛酸酯∶硝酸铋∶乙酸∶嵌段共聚体表面活性剂＝1∶10～14∶350∶0.17～0.34。

本发明的介孔钛酸铋光催化剂的制备方法，其中钛铋复合氧化物是由三步法制备的：