[发明专利]羟基修饰的含氧空位钛酸锶光催化材料及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种羟基修饰的含氧空位钛酸锶光催化材料及其制备和应用，光催化材料表面含增强光吸收能力的氧空位，并嫁接有羟基基团。制备时，以硼氢化钠和商用钛酸锶为原料，在管式炉中280～350℃处理一定时间，对产物进行离心、水洗、干燥，获得含氧空位的钛酸锶光催化材料，再加入质量百分比0％～7％的碱金属氢氧化物进行碱性化。该方法以简单硼氢化钠处理使材料吸收拓展到红外，少量碱使催化剂形成羟基化表面，增强对二氧化碳的吸附和活化能力，方法简单易操作，并且所得产物具有优异的光催化还原二氧化碳的能力。

技术领域

本发明涉及一种光催化材料及其制备方法和应用，特别是涉及到一种表面嫁接羟基并含氧空位的钛酸锶光催化材料(SrTiO₃)的制备方法和在光还原二氧化碳方面的应用。

背景技术

大气中二氧化碳含量的不断增加和化石燃料的持续消耗，使得人类面临着全球变暖和能源短缺等能源与环境问题。光催化作为一种新的能源及环境净化技术，越来越受到广泛的关注，而阻碍传统光催化剂走向实际应用的一个关键就是其较低的光能利用效率，从这个角度出发，设计能够利用可见及近红外光的光催化材料，对实现光能转换和环境修复具有重要意义。目前，拓宽光催化剂吸收能力的研究主要集中在可见光区域，方法也已从简单掺杂、构造异质结、合成固溶体过渡到制造氧空位或负载具有等离子体共振效应的金属纳米粒子Au、Cu、Ag等；但对于红外光的利用，除去一些上转换材料，仅有少数材料如碳量子点、Cu₂(OH)PO₄、BiOI等在近红外区域有活性，而且制备过程复杂，性能测试也集中在机制较为简单的降解和水分解反应上。

钛酸锶作为一种廉价、无毒、稳定的光催化剂，已被广泛应用于各类光催化反应，如光解水、有机物污染物降解、二氧化碳光还原方面，且具有较好的效果，然而却受制于较宽禁带宽度(3.2eV)，使其只能被紫外光(仅占入射太阳光的5％)激发，而不能利用占太阳光谱更大比重的可见(52％)及红外光(43％)。

对于人工光合作用(Artificial Photosynthesis,APS)的重要途径之一—光催化二氧化碳还原，是指模拟自然界植物的光合作用，以二氧化碳和水作为反应原料，利用光照激发催化剂产生的电子-空穴对使二氧化碳发生还原反应产生一氧化碳及一些简单有机物，使水发生氧化反应产生氧气的过程。在这一过程中，产生的有机物可作为燃料通过燃烧过程重新转变为二氧化碳，从而实现完整的碳循环。而钛酸锶在二氧化碳还原中的应用，仍然受限于材料本身的吸收性能，因此单纯钛酸锶材料只能被紫外光激发进行反应。

合肥微尺度国家实验室俞书宏课题组报导利用氢气处理的含氧空位氧化镓相比未处理样品实现还原性能的提升(Nano Research，2016年第6期第1689-1700页)，主要原因是氢气处理使材料表面产生大量氧空位，但尽管得到的样品为含氧空位的氧化镓，其吸收性能仍然局限于紫外区域；而且在搭载贵金属Pt作为助催化剂的情况下，还原主要产物为竞争反应水分解产生的氢气。中科院谢海泉课题组合成少数层的BiOI具有可见及近红外吸收性能(Solar Energy Materials&Solar Cells，2016年第144期第732-739页)，但其红外测试在700nm以后，仍然囊括了一定波长的可见光。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种羟基修饰的含氧空位钛酸锶光催化材料及其制备和应用，解决现有技术中钛酸锶本身只能利用紫外光的问题。

本发明的技术方案是：

一种羟基修饰的含氧空位钛酸锶光催化材料，所述光催化材料在表面含有一定量氧空位同时嫁接有羟基基团。

先直接制备含氧空位的钛酸锶，再通过浸渍法在其表面嫁接羟基。

羟基修饰的含氧空位钛酸锶光催化材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将商用钛酸锶和硼氢化钠的混合物研磨均匀，放入管式炉中通入惰性气体烧结；硼氢化钠为产生氧空位的还原剂。