[发明专利]基于生物质多孔基材稳定负载的光催化材料及其方法和应用

说明书

本发明公开了一种基于生物质多孔基材稳定负载的光催化材料及其方法和应用。所述催化材料包括生物质多孔基材、光催化剂和纤维素凝胶层，所述光催化剂被包裹在纤维素凝胶层中，纤维素凝胶层紧密附着在基材表面并与基材形成交联网络结构，所述光催化材料具有三维中空结构。本发明采用具有多孔结构的生物质材料作为多孔基材，通过浸渍‑再生使混有光催化剂的纤维素溶液凝胶化，将光催化剂包覆到多孔基材孔洞表面，使光催化剂均匀分布。本发明解决了粉末状光催化剂易团聚、后处理繁琐、可见光利用率低，以及常规负载光催化剂的方法不能稳定负载、光催化易泄露的问题，获得一种稳定负载、高可见光催化活性、易于循环使用的光催化材料。

技术领域

本发明属于光催化材料领域，具体涉及基于天然生物质材料的可见光响应催化材料及其制备方法。

背景技术

石墨相氮化碳由于成本低、稳定性高且具有可见光响应性而被广泛使用，然而其空穴与电子易重组，导致光催化活性较低。目前通过将其与碳材料、金属或金属氧化物复合形成异质结可有效增强氮化碳空穴与电子的分离，并且可拓宽光吸收波段增加光的吸收，进而提高光催化活性。然而，复合后的催化剂大多仍呈粉末状，在使用和分析过程中，常需要离心分离等操作，增加了操作时间提高了操作成本。此外，粉末状的光催化剂易聚集，减少了暴露的有效面积，不利于光的充分吸收以及与污染物的接触。通过纳米纤维膜、泡沫等3D多孔材料负载光催化剂可有效的提高催化剂的比表面积且可避免使用过程中离心分离等操作便于循环使用，然而，这些用于负载的基体大多来源于石油资源，不可再生，其大量使用会加速能源危机。更重要的是，这些基体与光催化剂的结合较弱，使用过程中负载的光催化剂容易泄露，造成环境污染。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于生物质多孔基材稳定负载的光催化材料及其方法和应用，解决粉末状光催化剂易团聚、后处理繁琐、可见光利用率低，以及常用负载光催化剂方法不能稳定负载、光催化剂易泄露的问题，获得一种稳定负载、高可见光催化活性、易于循环使用的光催化材料。

本发明的构思如下：

采用来源广、可生物降解且具有多孔结构的生物质材料作为多孔基材，通过简单的浸渍-再生使混有光催化剂的纤维素溶液凝胶化，利用纤维素凝胶化作用将光催化剂包覆到多孔基材孔洞表面。纤维素凝胶层透明度高，极大的减少了对入射光的遮挡，可避免其将光催化剂包覆后减少光催化剂对光的吸收。通过多孔基材负载，光催化剂分布在多孔基材的孔洞表面，一方面提高了光催化剂的暴露面积，有利于光的吸收以及与污染物的充分接触，另一方面，防止了催化剂的聚集；此外，多孔基材负载后形成了块状材料，避免了粉末状催化剂在使用和分析过程中需要离心分离等操作，有利于材料循环使用。更重要的是，利用纤维素溶液凝胶再生将光催化剂包嵌，除化学相互作用外还具有强物理包覆，相比于其他报道的单纯依靠氢键等相互作用附着的方法，该方法使得催化剂与基体间的附着力更强更稳定，可有效防止光催化剂的泄漏。

本发明提供的基于生物质多孔基材稳定负载的光催化材料，包括环境友好、可再生生物质多孔基材、光催化剂和纤维素凝胶层，所述光催化剂被包裹在纤维素凝胶层中，纤维素凝胶层紧密附着在基材表面并与基材形成交联网络结构，所述光催化材料具有三维中空结构。

被纤维素凝胶负载后的基材仍能保留原有多孔结构，且润湿性从疏水变为亲水，从而易于与污染物的充分接触。同时高透明度的纤维素凝胶极大的减少入射光的反射，有利于光催化剂对光的吸收，从而提高光催化效率。

上述基于生物质多孔基材稳定负载的光催化剂，进一步地，所述生物质多孔基材为灯芯草、木棉、柳絮、秸秆等天然多孔生物质材料中的一种。

上述基于生物质多孔基材稳定负载的光催化剂，进一步地，其中光催化剂的质量为纤维素质量的0.1％～100％。

本发明提供的基于生物质多孔基材稳定负载的光催化材料的制备方法，包括以下步骤：