[发明专利]一种高铁酸盐复合钛锌层状双金属氢氧化物的两阶段光催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种高铁酸盐复合钛锌层状双金属氢氧化物的两阶段光催化剂及其制备方法和应用，本发明所述光催化剂是以钛锌层状双金属氢氧化物Ti/Zn LDH为载体，以高铁酸盐为复合物质的复合材料，高铁酸盐简称为Fe(VI)。本发明光催化剂采用控制反应体系碱度的低温水热法制备，能够有效解决Fe(VI)复合Ti/Zn LDH时不稳定，易自分解，以及原位产生的三价铁氧化物在实际应用中无法有效附着在Ti/Zn LDH表层形成异质结结构等问题。本发明光催化剂的制备方法耗能少，无有毒有害副产物，制备过程简单，易于大规模生产。

技术领域

本发明涉及一种高铁酸盐复合钛锌层状双金属氢氧化物的两阶段光催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

层状双金属氢氧化物 (LDH)是水镁石状的层状无机材料，由二价(M²⁺)、三价(M³⁺)或四价(M⁴⁺)金属离子组成，从而形成带正电的外层结构，因此阴离子和无机固体插入层间空隙维持电荷平衡，并且由于自身的薄层结构，使其具有比表面积大、在溶液中分散效果好等特点，常被用作吸附材料。此外，LDH被氧桥包围，并含有关键阳离子，如Zn、Ni、Cr、Ti和Sn，有利于电子转移，具有成为半导体光催化剂的潜力，其中钛/锌LDH (Ti/Zn LDH)是最典型的光催化材料。

钛基材料作为最为常用半导体光催化材料，具有化学稳定性、强氧化性、耐光性、易获得性和低成本等特点，然而由于其宽带隙（Eg≈2.9eV~3.2 eV），因此光激发波长必须小于380 nm（紫外光），而紫外光在太阳光中仅占4%，这就导致了上述材料无法有效利用太阳能。此外，此材料表面的载流子转移速率低且光生电子-空穴对的复合率高也致使其无法被大规模应用。

高铁酸盐（Fe(VI)）作为一种氧化、絮凝和消毒为一体的新型净水剂，通常被广泛应用在净水预处理、特种水处理等领域。此外由于其特殊的外层电子结构，所以具有很强的亲电性，可作为有效的电子受体，同时产生具有更强氧化性的4、5价铁氧化中间体物质。根据这一特性，高铁酸盐可以作为钛基材料的电子受体有效分离电子和空穴以此提高载流子的转移速率并抑制电子空穴对的重复合。同时，高铁酸盐的还原产物三价铁氧化物颗粒带隙较窄（Eg 1.9 eV）且价导带位置与钛基材料相异，因此在高铁酸盐消耗殆尽后，其原位还原三价铁氧化物沉积在Ti/ZnLDH表面，自形成p-n型异质结以此缩小禁带宽度，以此持续提升对于可见光的利用率和光生载流子分离速率。此外，高铁酸盐在溶液中的阴离子形态（FeO₄^2-、HFeO₄^-）能插入LDH夹层，借助LDH分散性佳的特性，这种复合行为也能改善其本身与还原产物（三价铁氧化物）分散性差的特点。

因此，发明一种Fe(VI)复合Ti/Zn LDH的制备技术不仅能够改变钛基光催化材料无法被大规模实际应用的现状，提高太阳能的利用效率，同时Fe(VI)还原形成的三价铁氧化物还能与Ti/Zn LDH形成一种p-n型异质结光催化剂，实现延长上述材料氧化污染物的目的。此发明为光催化技术在水处理中的应用提供一种新的技术选择。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种高铁酸盐复合钛锌层状双金属氢氧化物的两阶段光催化剂及其制备方法和应用。本发明提供的一种控制反应体系碱度的低温水热法制备光催化剂，能够有效解决Fe(VI)复合Ti/Zn LDH时不稳定，易自分解，以及原位产生的三价铁氧化物在实际应用中无法有效附着在Ti/Zn LDH表层形成异质结结构光催化剂等问题。本发明光催化剂的制备方法耗能少，无有毒有害副产物，制备过程简单，易于大规模生产，同时制备的光催化剂具有两阶段氧化性，在Fe(VI)消耗完后仍能借助还原的Fe(III)氧化物与Ti/Zn自行成的异质结光催化剂对污染物进行持续催化氧化。

为了实现上述发明目的，本发明提供如下的技术方案：