[发明专利]由半导体材料和上转换材料组成的红光或红外光催化材料

说明书

技术领域

本发明属于光催化材料领域，具体涉及一种由上转换材料和半导体材料组成的 新型红光或红外光催化材料。

背景技术

随着工业的发展，环境问题的日益突出，世界各国都广泛开展了半导体光催化 降解无机、有机污染物的研究，以二氧化钛(TiO₂)为代表的一系列半导体材料的 光催化性能得到了深入广泛的研究。其中，二氧化钛具有光催化活性高、稳定性好、 成本低等优点，成为光催化领域的研究热点，可广泛应用于污水处理和空气净化。 用于光催化的半导体材料多为宽禁带半导体，以二氧化钛为例，其禁带宽度达3.2 eV，只有波长小于387.5nm的紫外光才能激发其光催化活性，而紫外光大约只占 太阳光总能量4％，大部分的太阳光能量都分布在可见光区(约48％)和近红外光 区(约44％)。扩大光催化材料的吸收波长的范围，成为其走向实际应用的关键问 题之一。例如，目前报道的用各种方法，如离子掺杂、贵金属沉积、染料敏化等， 修饰和改性的二氧化钛的吸收波长已经达到了500nm左右。这些工作意义重大， 但不可否认的是，这些改进的二氧化钛材料只能利用可见光中的波长较短区域，占 太阳光谱主要成分的红区和近红外区域的光能仍然无法得到有效利用，激发波长的 限制成为光催化技术走向应用的一个瓶颈。

2003年，中国建筑材料科学研究院的金宗哲等人在中国专利(CN1422920A) 中描述：用含有变价稀土元素的溶液浸泡层状纳米结构的物质，通过离子交换将层 间钠离子替换为稀土离子或稀土络离子，再与纳米半导体和极性矿物混合得到具有 宽谱带响应的光催化材料，适用于外墙涂料，可达到净化空气的效果。

寻找一种合适的材料进行波长的转换是解决激发波长限制的切实可行的方案之 一，红光/红外-紫外上转换材料将入射的低能红光/红外光转变为高能的紫外光射出， 恰好可以满足这种要求。红光/红外-紫外上转换材料在短波长固体激光器、平面显 示、医学成像等方面所具有的潜在应用价值，也是近年来的一个研究热点，其中掺 杂稀土离子的氟化物红外-紫外上转换材料是目前公认的上转换效率最高的材料，关 于此类材料的研究已经有了大量、系统的报道。

发明内容

现有的半导体光催化材料吸收波长在紫外和短波长可见光区，为了打破吸收波 长的限制，拓展吸收波长的范围，在半导体材料和红光/红外-紫外上转换材料的研究 都已经比较系统的基础上，本发明的目的是制备一种由上转换材料和半导体材料组 成的新型红光或红外光催化材料。

本发明的原理是利用上转换材料吸收长波长的红光或红外光，通过其内部的能 量传递过程，将吸收的红光/红外光能量转换为高能量的紫外光发射，这些短波长的 光将会激发半导体材料进行光化学反应，从而将这种复合光催化材料的光响应波长 拓展到了红光或红外光区域，实现了红光/红外光激发的光催化反应的目的，在红光、 红外光或太阳光的光催化反应方面具有广泛的应用，如用于光催化降解水中的有机 污染物等。

本发明所述的红光或红外光催化材料由上转换材料和半导体材料组成，按质量 百分比计算，半导体材料为10％～90％，其余为上转换材料，上转换材料是稀土离 子掺杂的氟化物或氧化物。

本发明涉及的氧化物或氟化物包括Y₃Al₅O₁₂、ZnO、Y₂O₃、CaF₂、LaF₃、YF₃、 NaYF₄、LiYF₄、KYF₄、BaYF₄，Zn_aAl_bPb_cLi_dF_e(a＝0.1～0.3，b＝0.2～0.3，c＝0.2～0.4， d＝0.8～1，e＝2～3.3，a、b、c、d、e满足关系2a+3b+2c+d＝e)，其最终形态可以 是纳米晶、微米晶、玻璃或薄膜。实施例中选取Y₃Al₅O₁₂、YF₃、NaYF₄、 Zn_aAl_bPb_cLi_dF_e等作为基质材料。