[发明专利]铁掺杂碳量子点/二氧化钛复合光催化剂制备及降解甲醛的方法

说明书

本发明公开了铁掺杂碳量子点/二氧化钛复合光催化剂降解甲醛的方法，制备方法包括（1）铁掺杂碳量子点的制备；（2）铁掺杂碳量子点/二氧化钛复合光催化剂的制备。利用可见光对制备出的铁掺杂碳量子点/二氧化钛复合光催化剂进行甲醛光催化性能的降解。本发明利用界面电荷转移效应构建铁掺杂碳量子点，铁掺杂有利于提升铁掺杂碳量子点/二氧化钛复合光催化剂的光催化活性，是由于铁的掺杂降低了碳量子点的功函，导致铁掺杂碳量子点和二氧化钛之间形成很大的势垒，使铁掺杂碳量子点/二氧化钛的光催化性能提升。铁掺杂碳量子点的引入，显著提高了二氧化钛在可见光下的催化性能，可见光照射180 min 后，甲醛（浓度在3 ‑30 mg/L）的降解率由二氧化钛为催化剂时的40%上升到85%以上。

技术领域

本发明属于化工技术领域，具体是涉及二氧化钛复合光催化体系制备及其应用。

背景技术

二氧化钛具有许多独特的优势，包括稳定的化学性能、光电化学性能；耐光腐蚀；对生物无毒；来源丰富；是一种高效的光催化剂，故常将其用于有机污染物的降解，空气的净化，杀菌和除雾器。但由于二氧化钛带隙较宽为3.2ev，一般只能吸收波长较短的紫外光，故太阳能的利用率很低且只有3%～5%；并且由于光激发产生的电子空穴的复合，导致光量子效率低，使得半导体光催化剂的应用受到了限制。

有研究发现碳纳米材料可以作为电子存储器捕捉电子，从而阻止电子空穴对的重组。而且有些碳纳米材料如碳量子点的上转换光致发光性能可以使其吸收长波长的光而发射短波长的光可以不断激发半导体光催化剂形成电子空穴对。所以将碳纳米材料与半导体光催化剂进行复合提高催化效率将有很大的应用前景及意义。

发明专利（申请号201710146818.8）公开了复合型光催化体系CQDs-KNbO₃及其制备方法和应用，提供了具有强氧化还原活性的复合光催化体系CQDs-KNbO₃，可实现在可见光照射下降解有机污染物的同时制氢；发明专利（申请号201610344339.2）公开了碳量子点/钼酸铋纳米片复合光催化材料的制备方法，用于降解有机污染物罗丹明B；发明专利（申请号201510214659.1）公开了一种氮掺杂碳量子点/二氧化钛复合材料的制备方法，用于光催化甲醇分解制氢。这些方法都涉及将碳量子点与TiO₂及金属结合的制备复合型光催化材料，用于有机污染物降解或制氢。甲醛结构虽然简单易于消除，但是其释放缓慢，因此需要所用的催化剂具有良好的稳定性，光线的利用效率也是困扰现在光催化效果的重要方面。

本发明利用界面电荷转移效应构建的铁掺杂碳量子点，既有碳纳米材料在光催化中的优势，又有金属铁在光催化中的优势。铁掺杂有利于提升铁掺杂碳量子点/二氧化钛的光催化活性，是由于铁的掺杂降低了碳量子点的功函，导致铁掺杂碳量子点和二氧化钛之间形成很大的势垒，使铁掺杂碳量子点/二氧化钛的光催化性能提升，提高了甲醛的催化降解效果。制备材料在可见光下降解率高，降解甲醛浓度范围宽，降解时间短，材料容易与液体分离、材料可以重复利用等优点。

发明内容

本发明的目的是提供铁掺杂碳量子点/二氧化钛复合光催化剂制备及降解甲醛的方法，利用铁掺杂碳量子点作为二氧化钛的敏化剂，制备一种在可见光下能有效降解甲醛的复合光催化体系。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

除非另有说明，本发明所采用的百分数均为重量百分数。

铁掺杂碳量子点/二氧化钛复合光催化剂制备及降解甲醛的方法。其特征在于，制备方法包括以下步骤：

（1）铁掺杂碳量子点的制备：称取10-15g柠檬酸，1-3g硫酸亚铁铵溶于50-100mL纯水中，再加入5-10mL乙二胺，超声10-20min使其充分混匀，转移至聚四氟乙烯内衬反应釜于200℃加热5-7h，自然冷却后以8000r/min高速离心15-25min除去大颗粒杂质，过0.22μm滤膜后得到蓝色荧光的铁掺杂碳量子点，60℃真空干燥箱中干燥备用。