[发明专利]一种用于可见光转化的光催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及环境和能源领域，具体的说是一种用于可见光转化的纳米异质结构的光催化剂及其制备方法。

背景技术

环境和能源是21世纪人类可持续发展面临和亟待解决的重大问题。太阳能具有廉价、清洁、可再生等优点，因此，开发高效快捷地太阳能转化和存储技术实现人类可持续发展，是人们努力的目标。然而，目前大部分半导体催化剂由于结构的原因，很难高效利用可见光，这正是目前困扰太阳能转化技术产业化发展的一个瓶颈问题。现有的光催化剂种类繁多，而TiO₂以其结构稳定、价格便宜、无毒、氧化能力强等优势被广泛研究。但是，二氧化钛带隙较宽(锐钛矿3.2ev)，只能响应占地面太阳光总能量3-5％左右的紫外光，因此，提高TiO₂的可见光响应更具有应用价值。

近年来主要通过以下两种途径来提高TiO₂对可见光催化效果。1.)TiO₂掺杂。金属掺杂引入了电子和空穴的复合中心，并且引入的金属离子作为电子捕集剂降低了催化效率，通常存在热和化学稳定性不高的问题。近年来非金属掺杂TiO₂被认为是使TiO₂产生可见光响应最有效方法之一。2001年Asahi在Science报道首次将氮引入TiO₂并成功获得可见光响应性能后，几乎涉及所有非氢和非惰性元素掺杂的TiO₂被报道。非金属掺杂中氮掺杂中被认为是最有效的方法，但是通过可见光响应机理研究表明掺杂氮后催化剂氧化能力下降，在太阳光全谱下催化性能尚不及未掺杂的TiO₂；尽管在广度和深度上对TiO₂掺杂进行了大量研究，但通常被认为不是一种理想的方法，因为通常掺杂能级形成光生电子和空穴的复合中心，且掺杂原子的存在不利于光生电子或空穴的迁移和分离，增加了复合几率，故催化效率不高。2.)TiO₂复合。利用具有可见光响应的金属、半导体或染料等同TiO₂复合形成异质结构。在可见光激发下，客体材料发生电子跃迁并跃迁到TiO₂的导带上。这种跃迁往往是发生在异质结构的界面处，这不仅大大扩宽了TiO₂的光谱响应范围，而且有效减少了光生电子-空穴的复合概率，提高了光催化剂的量子效率。

虽然目前已经有很多的方法来提高TiO₂可见光催化性能，但是TiO₂可见光催化效率仍然有待进一步提高。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于可见光转化的纳米异质结构的光催化剂及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于可见光转化的光催化剂，所述用于可见光转化的光催化剂为酚醛树脂表面通过表面键合负载TiO₂前躯体形成的纳米异质结构，其中酚醛树脂/TiO₂前躯体质量比为1∶100-0.1。

所述TiO₂前躯体为三氯化钛、钛酸异丙酯、钛酸正丁酯、硫酸氧钛的一种或几种混合。

用于可见光转化的光催化剂的制备方法，将酚醛树脂在盛有溶剂的高压反应釜中加入TiO₂前躯体，在80-200℃下形成异质结构反应产物，应后产物通过过滤洗涤在80-150℃下干燥，干燥后在惰性气氛中加热至200-400℃，保温0.1h-15h，即得到异质结构的可见光转化的光催化剂；其中酚醛树脂与TiO₂前躯体质量比为1∶100-0.1，酚醛树脂与溶剂质量比为1∶0.05-10。

将酚醛树脂在盛有溶剂的高压反应釜中加入TiO₂前躯体，在180℃条件下形成异质结构反应产物，应后产物通过过滤洗涤在105℃下干燥，干燥后在惰性气氛中加热至300℃，保温2h，即得到异质结构的可见光转化的光催化剂；其中酚醛树脂与TiO₂前躯体质量比为1∶0.2，酚醛树脂与溶剂质量比为1∶0.1。

所述TiO₂前躯体为三氯化钛、钛酸异丙酯、钛酸正丁酯、硫酸氧钛的一种或几种混合；所溶剂为极性溶剂极性溶剂中一种或几种混合。所述极性溶剂为水、甲醇、乙醇、丁醇、乙腈、丙酮中一种或几种混合。

所述酚醛树脂为苯酚和甲醛溶液通过催化剂作用聚合得到的固体粉末，粉末粒度为10nm-100um；其中催化剂为氢氧化钠、氨水、硫酸或盐酸。所述催化剂为为NaOH或氨水。