一种用于可见光转化的光催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术涉及环境和能源领域，具体的说是一种用于可见光转化的纳米异质结构的光催化剂及其制备方法。所述用于可见光转化的光催化剂为酚醛树脂表面通过表面键合负载TiO2前躯体形成的纳米异质结构，其中酚醛树脂/TiO2前躯体质量比为1∶100-0.1。本发明专利技术利用低温水热或溶剂热的方法在酚醛树脂颗粒表面进行二氧化钛的负载。在酚醛树脂表面形成TiO2/酚醛树脂的异质结构。该异质结构在可见光条件下具有较高的可见光催化活性。本发明专利技术所得催化剂可见光响应高，催化活性高、结构稳定。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及环境和能源领域，具体的说是一种用于可见光转化的纳米异质结构的光催化剂及其制备方法。
技术介绍
环境和能源是21世纪人类可持续发展面临和亟待解决的重大问题。太阳能具有廉价、清洁、可再生等优点，因此，开发高效快捷地太阳能转化和存储技术实现人类可持续发展，是人们努力的目标。然而，目前大部分半导体催化剂由于结构的原因，很难高效利用可见光，这正是目前困扰太阳能转化技术产业化发展的一个瓶颈问题。现有的光催化剂种类繁多，而T^2以其结构稳定、价格便宜、无毒、氧化能力强等优势被广泛研究。但是，二氧化钛带隙较宽(锐钛矿3. 2ev)，只能响应占地面太阳光总能量3-5%左右的紫外光，因此， 提高T^2的可见光响应更具有应用价值。近年来主要通过以下两种途径来提高TiO2对可见光催化效果。l.)Ti02掺杂。金属掺杂引入了电子和空穴的复合中心，并且引入的金属离子作为电子捕集剂降低了催化效率，通常存在热和化学稳定性不高的问题。近年来非金属掺杂TiO2被认为是使TW2产生可见光响应最有效方法之一。2001年Asahi在kience报道首次将氮引入TW2并成功获得可见光响应性能后，几乎涉及所有非氢和非惰性元素掺杂的T^2被报道。非金属掺杂中氮掺杂中被认为是最有效的方法，但是通过可见光响应机理研究表明掺杂氮后催化剂氧化能力下降，在太阳光全谱下催化性能尚不及未掺杂的TiO2 ；尽管在广度和深度上对TW2掺杂进行了大量研究，但通常被认为不是一种理想的方法，因为通常掺杂能级形成光生电子和空穴的复合中心，且掺杂原子的存在不利于光生电子或空穴的迁移和分离，增加了复合几率，故催化效率不高。2.)Ti02复合。利用具有可见光响应的金属、半导体或染料等同TW2 复合形成异质结构。在可见光激发下，客体材料发生电子跃迁并跃迁到TiO2的导带上。这种跃迁往往是发生在异质结构的界面处，这不仅大大扩宽了 TiO2的光谱响应范围，而且有效减少了光生电子-空穴的复合概率，提高了光催化剂的量子效率。虽然目前已经有很多的方法来提高TiA可见光催化性能，但是TiA可见光催化效率仍然有待进一步提高。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种用于可见光转化的纳米异质结构的光催化剂及其制备方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为—种用于可见光转化的光催化剂，所述用于可见光转化的光催化剂为酚醛树脂表面通过表面键合负载TiA前躯体形成的纳米异质结构，其中酚醛树脂/TiA前躯体质量比为 1 100-0. 1。所述TiA前躯体为三氯化钛、钛酸异丙酯、钛酸正丁酯、硫酸氧钛的一种或几种混3口 O用于可见光转化的光催化剂的制备方法，将酚醛树脂在盛有溶剂的高压反应釜中加入TiO2前躯体，在80-20(TC下形成异质结构反应产物，应后产物通过过滤洗涤在 80-150°C下干燥，干燥后在惰性气氛中加热至200-400°C，保温0. lh-15h,即得到异质结构的可见光转化的光催化剂；其中酚醛树脂与TiO2前躯体质量比为1 100-0. 1，酚醛树脂与溶剂质量比为1 0.05-10。将酚醛树脂在盛有溶剂的高压反应釜中加入TiO2前躯体，在180°C条件下形成异质结构反应产物，应后产物通过过滤洗涤在105°C下干燥，干燥后在惰性气氛中加热至 300°C，保温2h，即得到异质结构的可见光转化的光催化剂；其中酚醛树脂与TiO2前躯体质量比为1 0.2，酚醛树脂与溶剂质量比为1 0.1。所述TiO2前躯体为三氯化钛、钛酸异丙酯、钛酸正丁酯、硫酸氧钛的一种或几种混合；所溶剂为极性溶剂极性溶剂中一种或几种混合。所述极性溶剂为水、甲醇、乙醇、丁醇、 乙腈、丙酮中一种或几种混合。所述酚醛树脂为苯酚和甲醛溶液通过催化剂作用聚合得到的固体粉末，粉末粒度为IOnm-IOOum ；其中催化剂为氢氧化钠、氨水、硫酸或盐酸。所述催化剂为为NaOH或氨水。所述可见光转化包括可见光降解有机或无机污染物、光分解水制备氢气、太阳能电池等方面。本专利技术所具有的优点本专利技术利用低温水热或溶剂热的方法在酚醛树脂颗粒表面进行二氧化钛的负载。 在酚醛树脂表面形成TiO2/酚醛树脂的异质结构。该异质结构在可见光条件下具有较高的可见光催化活性。本专利技术所得催化剂可见光响应高，催化活性高、结构稳定。本专利技术制备所得光敏材料可以用于环境污染物的去除、太阳光解水制备氢气以及太阳能光电原件的制备。其制备方法简单节能容易大规模生产。附图说明图1为本专利技术实施例提供的TiO2丽S-PR的电镜图(其中，粉末样品为球形固体粉末，尺寸在IOOnm左右，表面负载大量的纳米TiO2)。图2为本专利技术实施例提供的NS-PR，TiO2丽S-PR和TiO;5)NS-PR-300催化剂的 XRD 谱图(其中，a.)NS-PR，b.) TiO2MS-PR, c.) TiO;5)NS-PR-300催化剂的 XRD 谱图，由图可知二氧化钛纳米颗粒的XRD衍射峰宽化，表明颗粒尺寸较小)。图3为本专利技术实施例提供的催化剂紫外可见光谱图(其中，a)P25，b.)NS-PR, c.) TiO2^S-PR, d.) Ti02 NS-PR-300,本专利技术催化剂在可见光具有很强的光吸收性能)。图4为本专利技术实施例提供的催化剂与现有其它催化剂在可将光催化条件下的性能比较图(其中，■ NS-PR，參 TiO2SNS-PR, ATi02Q)NS-PR-300, P25，NS-PR+Ti02, TiO2, Ndoped TiO2〇空白样品，由图可知本专利样品表现出优异的可见光催化性能)。具体实施方式为了更清楚的说明本
技术实现思路
，本专利将列举一些实施例，但本专利不局限于所列举的实施例。催化剂的可将光性能评价在平行式可见光催化反应仪中进行，光源采用氙灯，反应时采用磁子搅拌，样品管围绕光源旋转。评价催化剂性能时，取0.1样品放入50mL 20mg L—1的甲基橙溶液中，为了排除吸附的影响，样品首先在无光的条件下搅拌12h，达到吸附平衡后打开氙灯，在搅拌的条件下进行光催化反应，利用紫外可见分光光度计检测反应后溶液浓度的变化。实施例1取0.6g苯酚，ImL 37 %的甲醛溶液溶入15mL 0. IM NaOH水溶液在70摄氏度下保温0. 5h，同时加入15mL含有0. 91g表面活性剂F127 (市售产品)的水溶液混勻，混勻后溶液在66°C保温保持池，然后向该溶液中加入50mL水并保温16h。最后取该溶液15mL与 56mL水混合，在130°C反应釜中保温Mh，最后产物离心分离，用乙醇反复冲洗3遍，得到酚醛树脂(NS-PI )，其粉末粒度约为SOnm左右。将NS-I3R加入到70mL乙醇溶液中，然后向该体系中加入0. 4mL钛酸异丙酯， 180°C条件下保温15h，应后产物通过乙醇过滤洗涤，在105 °C下干燥得到黄色粉末 (TiO^NS-PR)。为进一步提高催化活性，干燥后NS-PRSlTiO^ N2气氛中，气流速度为 60ml/min，在300°C加热3h获得TiO』NS_PR-300催化剂(参见图1、2和3)。从图1可以看到二氧化钛颗粒均勻的分布在树脂颗粒的表面，形成树脂-二氧化钛的异质结构，树脂颗粒在80nm左右，二氧化钛颗粒在IOnm左右，通过XRD结构分析可知水热条件下，二氧化钛的晶体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：姜义军，牟新东，孟令倩，李秀涛，王喜成，王晓燕，
申请(专利权)人：中国科学院青岛生物能源与过程研究所，
类型：发明
国别省市：