[发明专利]一种醇类光氧化催化剂及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及醇类光催化制醛类的技术领域，更加具体的说，涉及一种醇类光氧化催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

近些年来，由于化石能源的大量开发和使用，导致了频繁出现的能源危机和环境危机，人们迫切需要开发新能源以替代化石能源。太阳能作为一种清洁的可再生能源，正得到广泛的关注。光催化转化有机物、光解水、光降解污染物等光能驱动反应在近十几年内逐步成为研究热点。这类的反应可以直接将太阳能转化为化学能，具有很好能源与环境效益。在已被研究诸多光催化剂材料中，TiO₂以其产量丰富、无毒无害、光稳定性优良性等诸多优点被认为是最有发展前途的材料。1979年Fujishima等发现TiO₂在紫外光照的条件下可用于光解水制氢，从而开创了利用半导体进行进行光解水的新领域。但是，由于TiO₂的禁带宽度较大，它只在紫外区有活性，而紫外光只占太阳光总能量的4％，这就及大地限制了TiO₂在光催化领域的应用。因此，对TiO₂进行改性和修饰，将其响应范围扩展到占太阳能总能量较多的可见光和紫外光区，就成为十分有意义的工作。J.Ryu,S.H.Lee等人[J.Ryu,S.H.Lee,D.H.Nam,C.B.Park,Adv.Mater.2011,23,1883]用多种量子点负载在TiO₂的纳米管阵列上，并研究了不同量子点对促进TiO₂可见光活性的作用。B.O'Regan等发现[B.O'Regan,M.Gratzel,Nature1991,353,737]通过染料敏化的方法可以将TiO₂的吸收区域扩展至可见光区，并具有良好的可见光活性。S.C.Hayden等人[S.C.Hayden,N.K.Allam,M.A.El-Sayed,J.Am.Chem.Soc.2010,132,14406]将CdS量子点负载在TiO₂纳米棒上，也取得了良好的可见光响应。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以高效利用可见光和红外光在常温下进行光氧化的催化剂及其制备方法和应用。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

一种醇类光氧化催化剂，以二氧化钛为壳，在二氧化钛壳内设置金纳米棒。

所述二氧化钛的晶型主体为锐钛矿晶型。

所述二氧化钛壳的厚度为纳米级，优选40—180nm。

所述金纳米棒的长径比为2—5，优选2.4—4.2。

所述催化剂的比表面积为300—320m²g^-1，平均孔径为4.5—5.5nm。

上述一种醇类光氧化催化剂的制备方法，按照下述步骤进行：

步骤1，使用包裹二氧化硅的金纳米棒结构为原料，在这一结构外层再包覆不定形的二氧化钛(即AuNRs@SiO₂@TiO₂结构)，在水相中均匀分散包裹二氧化硅的金纳米棒和羟丙基纤维素，滴加钛酸四丁酯的乙醇溶液，并加热到80—90℃，冷凝回流后离心去除上层清液，再使用乙醇和去离子水进行清洗即可；为下一步包裹二氧化硅，向本步中得到的含有AuNRs@SiO₂@TiO₂结构的水相中加入聚乙烯吡咯烷酮，以搅拌均匀；

步骤2，向步骤1制备的包裹二氧化硅和不定形二氧化钛的金纳米棒结构的最外层包裹二氧化硅，以在金纳米棒结构外形成二氧化硅－不定形二氧化钛－二氧化硅的包覆结构：向含有步骤1制备的包裹二氧化硅和不定形二氧化钛的金纳米棒结构水相溶液中加入正硅酸乙酯，搅拌反应即可；

步骤3，将制备二氧化硅－不定形二氧化钛－二氧化硅的包覆结构的金纳米棒结构干燥后进行粉碎，在500—950℃下保温至少2h进行焙烧，然后自然冷却至室温20—25℃，优选700—900℃下保温5—15min进行焙烧2—4h，选择2—5℃/min的升温速度自室温20—25℃进行升温；

步骤4，利用碱液对焙烧后的产物进行蚀刻，以去除二氧化硅，最终形成二氧化钛中空壳包裹金纳米棒的催化剂，其中碱液选择氢氧化钠或者氢氧化钾的水溶液，蚀刻温度选择70—80℃下蚀刻至少8h，优选10—12h。

上述一种醇类光氧化催化剂在苯甲醇光催化生成苯甲醛中的应用，使用甲苯为溶剂，并通入氧气，使用可见—近红外光进行照射，波长为420—3000nm，优选波长为1000—2500nm。