[发明专利]一种利用可见光响应半导体异质结杂化光电催化材料电极处理抗生素废水的方法

说明书

本发明公开了一种利用可见光响应半导体异质结杂化光电催化材料电极处理抗生素废水的方法，该方法是以可见光响应半导体异质结杂化光电催化材料电极为阳极通过光电催化反应对废水中的抗生素进行处理，其中可见光响应半导体异质结杂化光电催化材料电极是以二氧化钛电极片为电极基底，通过电化学还原自掺杂、脉冲沉积、金属有机框架(MOFs)自组装以及雕刻还原等工艺得到。本发明方法，解决了MOFs与基底间传质速率受阻等问题，提高了MOFs在基底中的分散性，从而表现出催化效果好、光利用能力强等特点，同时还具有回收利用快、实用性强、无二次污染等优点，是一种可以被广泛采用、能够有效去除水体中抗生素的处理方法，有着很高的使用价值和应用前景。

技术领域

本发明属于光催化电极材料制备技术领域，具体涉及一种利用可见光响应半导体异质结杂化光电催化材料电极处理抗生素废水的方法。

背景技术

最近，MOFs以非粉末态参与各项化学反应的需求已迫在眉睫。如气凝胶状态参与吸附、生物炭负载状态参与过硫酸盐活化等，以上策略均有效避免了传统粉末态催化剂分离、回收困难等问题，但同时引入了多种未知的基体，并且无法确定一种有效的合成技术来精确控制MOFs在其中的分散性。同时，针对MOFs在光催化领域电子和空穴的易复合的弊端，有效分离光生电子和空穴并同步实现难降解有机化学污染物的去除是必要的。拓展MOFs以光电极的形式参与难降解有机物的氧化似乎是可行的，它利用电化学辅助光催化通过施加一定的阳极偏压在光电极内部产生电位梯度，迫使光生电子沿对电极方向移动实现光生电子-空穴的有效分离。然而，目前将MOFs用于光电催化降解有机污染物的研究是极其有限的，且目前的大多数研究是通过将MOFs粉末涂覆在导电玻璃上形成块体电极，这导致了客体-MOFs与基体-FTO之间传质速率的降低。为了解决上述关于基体的未知性、MOFs在基体中分散性以及MOFs与基体间传质速率降低的问题，需要寻找一种具有一定研究基础且具有独特结构负载MOFs的基体通过有效的复合方式拓展MOFs在光电催化中的应用。

二氧化钛(TiO₂)作为一种半导体金属氧化物，在过去的十年中具有相当丰富的研究基础。其中，具有耐腐蚀性、大比表面积、易于合成且形态可调的TiO₂纳米管结构，由于其几何、电学和光学性质而被考虑作为MOFs负载用于光电催化应用的基体。传统碱水热法制备的TiO₂纳米管通常排列无序，管径较小，电活性物质很难进入纳米管中，导致了纳米管的内表面无法利用。电化学阳极氧化方法制备的二氧化钛纳米管可通过调整氧化条件精确控制纳米管的结构参数(如孔径、壁厚和长度等),为反应提供了更容易获得的空间，促进了电活性材料的充分利用。此外，排列有序且紧密的纳米管既提供了坚实的支撑结构以允许指定的电活性材料负载，又减少了光反射损失保证进入纳米管的光子避免因壁的多次辐射散射而逃逸。目前，通过电化学阳极氧化制备的排列良好的TiO₂纳米管已被证明是水净化、制氢、抗菌和光伏电池发电中应用前景良好的光阳极。

然而，TiO₂纳米管不是一种理想的光电极基体，这主要是由于其较大的带隙限制，这导致可见光照射时的效率较低。克服这种障碍的有效方法是利用非金属掺杂、过渡金属敏化或与窄带隙半导体耦合将光生电子直接注入TiO₂的导带等。MOFs既包含了过渡金属中心又具有类半导体性质，因此可以考虑将二者复合。此外，MOFs在纳米管上的低分散性以及与半导体之间的弱键接触也限制了光电极的可见光响应以及电荷分离。因此，需要选择一种更有效的方法提高MOFs在TiO₂纳米管上的分散性与紧密性，以获得高催化活性的光电极用于光电催化去除水体中抗生素。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种回收利用快、去除效果好、循环效率高、实用性强的利用可见光响应半导体-MOFs杂化光电催化材料电极处理抗生素废水的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：