[发明专利]一种三元复合仿生光催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光催化材料技术领域，涉及一种复合仿生光催化剂，尤其是一种大尺寸、大孔径的三元复合仿生光催化剂，本发明还涉及该光催化剂的制备方法。

背景技术

近20年来，以半导体材料作为光催化剂降解各种水污染物得到越来越多的重视。光催化的基本原理是光催化材料在特定波长的光照下，吸收辐射能产生电子跃迁，在表面形成空穴-电子对，空穴从吸附在表面的水的氢氧根离子夺取电子，生成氧化能力很强的羟基自由基，将水中的有机物彻底氧化。在半导体材料中，ZnO是一种典型的n-型光催化剂，它具有较高的传输电子能力，能高效阻止光生电子和空穴的复合而具有搞笑的光催化性能，然而ZnO的带隙宽度为3.2eV，它只能在紫外光照射下才能有光催化活性，对可见光并无相应。金属酞菁具有良好的化学、光和热稳定性，是一种典型的p-型半导体材料，在可见光区有强的跃迁，对600～800nm的可见光具有强烈的吸收，其中酞菁铁是一种仿生化合物，催化作用类似氧化酶，因此利用酞菁铁作为仿生光催化剂吸收可见光处理染料废水很有实际意义。本发明采用四羧基酞菁铁(III)(Fe(III)-taPc)作为光催化剂，它可溶解在强极性的有机溶剂中，但不溶于水，将它与ZnO复合使用，利用ZnO的电子传输性将光生电子迁移，阻止其与空穴复合，从而提高光催化反应的效率。同时为了将催化剂固定并在最大程度上保持分子扩散性，我们使用大尺寸、大孔径的二氧化硅作为载体，将催化剂复合在三维连续的二氧化硅孔壁上，最后制备出使用方便，性能稳定，可见光响应好，催化效率高的新型光催化剂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是另提供一种大尺寸、大孔径的三元复合仿生光催化剂，具有能在可见光下降解有机物并且催化效率高等特点。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种大尺寸、大孔径的三元复合仿生光催化剂的制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种三元复合仿生光催化剂，其特征在于：

包括二元复合载体及沉积在该二元复合载体表面的光催化剂，所述光催化剂为铁酞菁配合物，所述铁酞菁配合物的含量为1.5～4wt.％；

所述二元复合载体包括ZnO纳米晶薄膜和负载上述ZnO纳米晶薄膜的SiO₂大孔材料，所述二元复合载体中，所述ZnO的含量为10～20wt.％。

所述二元复合载体由三维超薄结构的二氧化硅大孔材料，以及沉积在该二氧化硅大孔材料三维贯通的孔道内的ZnO纳米晶薄膜构成，所述铁酞菁配合物沉积在二元复合载体表面，所述二氧化硅大孔材料的孔径为0.5～1.5μm，厚度为20～50nm。

所述铁酞菁配合物为四羧基酞菁铁(III)。

所述三元复合仿生光催化剂的孔隙率为80％～90％，比表面积为86～108m²/g，在可见光照射1小时内对罗丹B的降解率≥95％。

一种三元复合仿生光催化剂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

①三维骨架聚合物的制备，将质量比为1∶2～1∶2.5的环氧树脂和聚乙二醇混合并且加热到60～80℃，搅拌5～15分钟成透明溶液后，加入与环氧树脂质量比为1∶4～1∶4.5的三乙烯四胺液体，搅拌均匀后倒入模具中定型，保持定型温度在70～80℃中1～10h后形成白色的固状聚合物共混物，用纯水浸泡12～20小时，留下三维骨架结构的环氧树脂，在室温下真空干燥1～2天；

②二氧化硅大孔材料的制备，将步骤①的三维骨架结构的环氧树脂在正硅酸四乙酯中浸泡4～5小时，在氨水气氛中于25～30℃下暴露10～12小时后形成SiO₂/环氧树脂复合物，干燥1～5小时，在马弗炉中以5～10℃/min的升温速率升至800～900℃，保持10～60分钟即得到三维超薄结构的二氧化硅大孔材料；

③ZnO纳米晶薄膜在二氧化硅大孔材料中的原位合成，将摩尔比为1∶1～1∶1.2的Zn(NO₃)₂·6H₂O与四羟丙基乙二胺配成水溶液，得到所需的前驱液，所述前驱液中，Zn(NO₃)₂的浓度为0.2～1.0mol/L，将二氧化硅大孔材料置于前驱液中充分浸泡，取出后于70～80℃下烘2～3小时，然后在马弗炉中以10～15℃/min的速度升温至600～650℃，再保温煅烧1～2小时后冷却至室温，得到二元复合载体；