[发明专利]一种具有三维晶面结性质的二氧化钛光电极及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种具有三维晶面结性质的二氧化钛光电极及其制备和应用，该二氧化钛光电极以钛网为钛源，以盐酸为形貌控制剂，以过氧化氢为氧化剂，通过气相水热方法在钛网基底上原位生长顶端{111}晶面暴露的一维直立金红石TiOsubgt;2/subgt;纳米棒；再通过二次水热于纳米棒外生长{101}、{111}纳米片，形成三维晶面结结构(Facet Junction，简称FH)，通过调节水热反应时间和溶剂比例，优化纳米片生长密度和暴露比例，制备得到的FH‑{111}TiOsubgt;2/subgt;/Ti光电极可应用于双酚A(BPA)废水的深度去除。与现有技术相比，本发明的光电极具有三维晶面结性质的二氧化钛光电极({111}/{101}、{111}/{110}、{110}/{101})，具有高电荷分离能力和高效光电催化氧化能力，在20～60min内对双酚A表现出100％去除。

技术领域

本发明属于光电催化技术领域，涉及一种具有三维晶面结性质的二氧化钛光电极及其制备和应用。

背景技术

双酚A(Biphenol A，简称BPA)是一种半持久性环境内分泌干扰物，表现出类似雌激素的作用，尽管比较小的剂量也会造成生殖毒性、神经毒性、糖尿病、致癌致畸等一系列危害。BPA主要用于环氧树脂和聚碳酸酯塑料的生产，因此常存在于食品罐头衬里，聚碳酸酯塑料，阻燃剂，热收据，环氧树脂和医疗设备。在我国，BPA使用量大，许多城市河道、污水厂出水等均检出BPA，尤其以造纸厂、精细化工厂等排放的废水中检出BPA含量较高，超出国家标准的规定限值(BPA 15.72ng L^-1)的数十数百倍。自然界中的BPA在通过生物浓缩、生物积累和生物放大作用进入生物体后会对生物体产生损害，从而造成生物体的不可逆损伤，因此，世界各国对BPA污染都给予了高度重视，例如我国在食品接触材料检测标准(GB4806-2016)对BPA的用量做了规定。因此高效去除水体中的BPA是当前环境水处理领域的热点课题。

在过去的几十年里，二氧化钛(TiO₂)由于其化学稳定性、环境友好性和避免光腐蚀的优点，被研究用于光催化、光电催化、太阳能电池等领域应用前景广阔。相比于应用广泛的锐钛矿型二氧化钛，金红石型二氧化钛是热力学上最稳定的晶型，且在室温下带隙较窄，约为3.0eV，可以将光响应范围拓宽至可见光区域，但由于其光生电子空穴对的复合速率快，限制了其应用能力。

如中国专利CN108911056A公开了一种{001}晶面可控暴露的二氧化钛光电极的制备及应用，其以钛板为钛源，以氢氟酸为封端剂，通过水热方法在钛基底上原位生长TiO₂花状微球结构，其{001}晶面暴露比为0％～100％，制备得到的{001}TiO₂/Ti光电极可以应用在邻苯二甲酸二甲酯废水光电催化氧化降解中，该专利具有较高的光电催化降解性能，但是，以钛板为基底制备得到的平板电极，生长位点暴露较少，生长得到的TiO₂花状微球层层堆叠，不利于光生载流子的选择性空间分离，且易脱落；此外，钛板基底难剪裁，在实际应用中受限。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种具有三维晶面结性质的二氧化钛光电极及其制备和应用，可以显著促进光生电荷的分离和转移，有效实现对水体中双酚A的降解去除。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一方面，本发明提供了一种具有三维晶面结性质的二氧化钛光电极的制备方法，先以钛网为钛源，以盐酸为形貌控制剂，以过氧化氢为氧化剂，通过气相水热方法在钛网基底上原位生长顶端{111}晶面暴露的一维直立金红石TiO₂纳米棒；再通过二次水热于纳米棒外生长{101}、{111}纳米片，形成三维晶面结结构，得到具有三维晶面结性质的FH-{111}TiO₂/Ti光电极，即为目的产物。具体的，上述制备过程包括以下步骤：