[发明专利]一种体相掺杂纳米光催化材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种体相掺杂纳米光催化材料及其制备方法和应用，属于无机非金属纳米材料制备、太阳能利用与环境保护技术领域。该体相掺杂纳米光催化材料为单相的二氧化钛材料，具有捕获与存储电子能力的掺杂离子均匀分散在二氧化钛的体相中，通过掺杂元素在光照下存储光生电荷以及在光照关闭后释放光生电荷进而生成活性基团的方式，使其在无光条件下较长时间保持活性，实现了利用太阳光全天候地对环境中的污染物进行无间断的处理，解决了现有光催化材料在失去外界光源的能量供应之后反应活性迅速丧失的缺陷，大大增强了光催化技术对环境污染的处理效果，降低了处理成本和能耗。

技术领域

本发明涉及无机非金属纳米材料制备、太阳能利用与环境保护技术领域，具体涉及一种体相掺杂纳米光催化材料及其制备方法和应用。

背景技术

光催化技术在环境污染治理和洁净能源生产方面具有巨大的应用价值，近年来科研工作者发展出一系列高效的光催化材料，大大提高了对于太阳光能的利用效率。然而，现有的光催化材料在失去外界光源的能量供应之后将不能产生电子－空穴对，从而无法生成活性基团，其反应活性迅速丧失，无法继续对环境中的污染物进行处理。因此，现有的光催化材料无法仅利用太阳能来持续处理环境中的污染物，必须在太阳光能之外配置辅助光源才能在黑夜中持续具有反应活性。这将会严重制约着光催化净化技术的实际应用：一方面，辅助光源系统必然增加成本与能耗；另一方面，很多的环境污染处理并不适宜无间断光照条件。

针对此问题，非常有必要开发出具有光生电荷存储与释放能力的光催化材料(在此称之为具有光生电荷“记忆效应”的光催化材料)，即光催化材料储存其在光照条件下产生的高能光生电子，在光照关闭后通过释放这些储存电子产生活性基团，从而使其能在无光条件下较长时间保持活性。这将能够充分利用太阳光能与一般照明光源全天候地对环境中的污染物进行无间断的处理，大大增强光催化技术对环境污染的处理效果，降低处理成本和能耗，使光催化技术在更广泛的环境保护领域获得新的应用，具有重要的意义。

目前仅有的几种具有光生电荷“记忆效应”的光催化材料全部是通过异质结构筑来实现其“记忆效应”的，为了使光生电子能够高效传输，要求不同组元之间具有非常好的接触面和能带匹配，这在很大程度上增大了构筑该类光催化材料的难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种体相掺杂纳米光催化材料及其制备方法和应用。该体相掺杂纳米光催化材料为单相的二氧化钛材料，具有捕获与存储电子能力的掺杂离子均匀分散在二氧化钛的体相中，通过掺杂元素在光照下存储光生电荷以及在光照关闭后释放光生电荷进而生成活性基团的方式，使其在无光条件下较长时间保持活性，实现了利用太阳光全天候地对环境中的污染物进行无间断的处理，解决了现有光催化材料在失去外界光源的能量供应之后反应活性迅速丧失的缺陷，大大增强了光催化技术对环境污染的处理效果，降低了处理成本和能耗。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种体相掺杂纳米光催化材料，其为具有光生电荷存储与释放能力的金属元素体相掺杂的二氧化钛基纳米材料，掺杂元素在光照条件下能够存储光生电荷并能够在无光照条件下将所存储的光生电荷释放并生成活性基团，使该光催化材料在无光照条件下继续保持活性，从而使得该体相掺杂纳米光催化材料实现连续工作。

所述具有光生电荷存储与释放能力的金属元素为钨、钼和钒元素中的一种或几种。

所述具有光生电荷存储与释放能力的金属元素均匀掺杂于二氧化钛晶格中，其中，具有光生电荷存储与释放能力的金属元素的原子百分含量为0.1-20％。

所述二氧化钛基纳米材料是指尺寸为纳米级别的掺杂二氧化钛材料，二氧化钛的晶相为锐钛矿相、金红石相或板钛矿相。

所述的体相掺杂纳米光催化材料的制备方法，该方法是利用体相掺杂的技术手段，将具有光生电荷存储与释放能力的金属元素均匀掺杂进二氧化钛晶体中，获得所述体相掺杂纳米光催化材料。该方法具体包括如下步骤：