[发明专利]一种三元高效复合可见光光催化材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料制备、可见光光催化技术、环境保护领域，具体涉及三元高效复合光催化剂N-K₂Ti₄O₉/g-C₃N₄/UiO-66的制备及其在可见光下催化降解水中有机污染物的应用。

背景技术

当今能源短缺、环境污染问题越来越引起人们的关注，人类社会的可持续发展面临巨大的挑战。光催化技术是降解环境污染物的一种新型处理技术，具有低碳、洁净、环保等优点，因此是解决能源、环境问题的一种理想途径，然而传统的二氧化钛等光催化剂由于带隙高、光生电子-空穴复合速率快等缺点，限制了光催化技术的实际应用，如何制备高效的光催化剂则是光催化技术应用需要解决的一个关键问题。

钛酸钾(K₂Ti₄O₉)被普遍认为是一种可靠的材料，缘于其无毒、性质稳定、材料易得、光电性质独特等性能。然而由于其带隙能较高(3.2-3.4eV)，只能被紫外光激发，因此提高其光催化活性以拓宽相关材料的应用范围具有重要意义。将氮元素掺杂到K₂Ti₄O₉中(标记为“N-K₂Ti₄O₉”)是减少带隙的一种普遍方法，掺杂后光催化活性得到提高，但是N-K₂Ti₄O₉等低带隙半导体普遍存在比表面积小、对疏水性有机物吸附差和单一材料存在光生电子-空穴复合速率快等缺陷，而限制了其光催化性能的进一步提高。g-C₃N₄是由三氮杂苯单元构成的聚合物，是非金属半导体，其热稳定性和化学稳定性较强，有离域共轭π键(可以有效的传导光生载流子)，在可见光催化反应方面主要用于光解水及有机污染物的降解等，但是g-C₃N₄光催化剂也存在比表面积小，光生载流子复合严重等缺点。研究发现，对g-C₃N₄进行酸处理可以提高其比表面积，促进电荷分离。而且g-C₃N₄经过酸处理其氮原子质子化使其带正电，容易和其他带负电的材料通过静电吸引有效复合在一起。金属有机框架(metal-organic framework，简称MOF)材料是近十几年来才引起广泛关注的新型多孔材料，是由氧、氮等多齿有机配体与过渡金属离子自组装而成的配位聚合物，具有特别大的比表面积(多数MOF的比表面积在1000m²/g以上，大于常规的多孔材料)。其敞口贯通的孔道有利于吸附浓缩环境中的污染物分子到材料的表面和内部。其中UiO-66是Zr^IV和对苯二甲酸配位反应形成的一种MOF材料，具有比表面积和吸附量大，物理和化学性质稳定等优点。鉴于UiO-66优异的吸附性能，将其负载到其他材料表面形成复合结构，能够提高材料的吸附光催化性能。

本发明结合N-K₂Ti₄O₉可见光响应好、g-C₃N₄传导电子空穴能力强、MOF材料吸附量大的优点，制备出的N-K₂Ti₄O₉/g-C₃N₄/UiO-66三元复合材料具有较高的吸附性能，能有效分离光生电子-空穴对，有显著增强的可见光光催化活性。

发明内容

本发明的目的是提供一种N-K₂Ti₄O₉/g-C₃N₄/UiO-66三元高效复合可见光光催化剂及其制备方法，以克服单一催化材料存在的缺陷并通过复合促进光生电荷分离作用，其制备方法简单，降解罗丹明B的光催化效果显著。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：