一种异质结复合光催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及光催化技术领域，公开了一种异质结复合光催化剂及其制备方法和应用，所述催化剂包括特定比例的金红石型TiO2、六方晶系CaTi4O9及六方晶系CaTiO3，本发明专利技术通过在TiO2中掺入CaTi4O9及六方晶系CaTiO3，有效抑制光生空穴和电子的复合，提高了量子效率，同时，本发明专利技术的异质结复合光催化剂使得具有宽禁带的TiO2、CaTiO3展现出高导带电势的优势，为光催化反应提供具有更强还原能力的光生电子，有效提高了光催化分解水制氢速率及还原去除Cr(Ⅵ)效率。

A Heterojunction Composite Photocatalyst and Its Preparation and Application

The present invention relates to the field of photocatalysis technology, and discloses a heterojunction composite photocatalyst and its preparation method and application. The catalyst includes rutile type titanium dioxide, hexagonal CaTi4O9 and hexagonal CaTi3 in a specific proportion. By doping CaTi4O9 and hexagonal CaTiO3 in titanium dioxide, the photocatalyst can effectively inhibit the recombination of photogenerated holes and electrons and improve quantum efficiency. The heterojunction composite photocatalyst of the present invention has the advantages of wide band gap and high conductivity and charged, provides photoelectrons with stronger reduction ability for photocatalytic reaction, effectively improves the rate of photocatalytic decomposition of water for hydrogen production and the efficiency of reduction and removal of Cr (VI).

【技术实现步骤摘要】
一种异质结复合光催化剂及其制备方法和应用
本专利技术涉及光催化
，具体涉及一种异质结复合光催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
能源与环境问题是制约人类社会发展的主要因素。当今世界经济的发展仍依赖于化石能源，随着人类社会的不断进步，能源的消耗日趋增大。据预测，2050年世界能源需求将达到2000年的2倍，但化石能源正逐渐枯竭，同时化石能源也带来了诸如温室效应、大气污染、水污染等一系列环境问题。发展太阳能、水能、风能、核能等清洁可再生能源来取代化石能源是解决能源危机与环境污染的关键。太阳辐射每年到达地球的能量远超人类所需，而用半导体催化剂光催化分解水产生氢气是有效利用太阳能并将其转化为氢能源的方法之一。早在1972年，Fujishima和Honda用TiO2和Pt作电极，通过施加一个偏移电位，在紫外灯照射下首次实现了光催化分解水产氢。经数十年的不断研究探索，用作光催化分解水的光催化剂已达数百种，其中TiO2以其催化活性高、性能稳定、价格便宜，对人体无害等优点备受人们青睐，成为最受重视的一种光催化剂。然而，TiO2作为光催化剂应用于实际时存在不能利用可见光和量子效率偏低两个较大的制约因素。为此，人们广泛而深入地研究了具备不同能级结构的半导体材料的光催化分解水的反应原理，并通过贵金属沉积、过渡阳离子掺杂、染料敏化、复合半导体等方法来提高TiO2量子效率和提高可见光利用率，但效果不是很显著。因此，寻找一种光响应范围广，量子效率高的新型光催化剂是一项重要的研究课题。
技术实现思路
因此，本专利技术旨在提供一种光响应范围广、量子效率高的新型异质结复合光催化剂；同时，本专利技术还提供了所述光催化剂的制备方法及其应用。为此，本专利技术提供了一种异质结复合光催化剂，包括31～90wt％的金红石型TiO2、4～28wt％的六方晶系CaTi4O9及6～41wt％的正交晶系CaTiO3。进一步地，所述光催化剂的粒径为30～40nm，比表面积为20～25m2/g，孔体积为0.07～0.16cm3/g，孔径为12～38nm，带隙能为3.0～3.47eV。本专利技术还提供了一种上述异质结复合光催化剂的制备方法，包括如下步骤：将乙酸钙充分分散于有机溶剂中，加入TiO2前驱体，混合均匀后将混合液在150～200℃下进行溶剂热反应18～30h，对所得产物进行冷却、分离、洗涤和干燥，即得所述异质结复合光催化剂的前驱体；对所述前驱体以4～6℃/min的升温速率匀速加热至650～750℃，随后保温至少1.8h，即得所述异质结复合光催化剂。进一步地，所述乙酸钙与所述TiO2前驱体的物质的量比为1：(1～20)。进一步地，所述TiO2前驱体为有机钛盐；所述有机溶剂为乙二醇、丙三醇、聚乙二醇中的至少一种。更进一步地，所述有机钛盐为钛酸四丁酯和/或四异丙醇钛。进一步地，对所述前驱体加热前还包括对其进行机械研磨的步骤。更进一步地，所述机械研磨的时间为25～35min。本专利技术还提供了上述异质结复合光催化剂或根据上述制备方法制得的异质结复合光催化剂在光催化分解水制氢中的应用。本专利技术还提供了上述异质结复合光催化剂或根据上述制备方法制得的异质结复合光催化剂在废水处理中的应用。本专利技术的技术方案，具有如下优点：1.本专利技术提供的异质结复合光催化剂，包括特定比例的金红石型TiO2、六方晶系CaTi4O9及六方晶系CaTiO3，本专利技术通过在TiO2中掺入CaTi4O9及六方晶系CaTiO3，有效抑制了光生空穴和电子的复合，提高了量子效率，同时，本专利技术的异质结复合光催化剂使得具有宽禁带的TiO2、CaTiO3展现出高导带电势的优势，为光催化反应提供具有更强还原能力的光生电子，有效提高了光催化分解水制氢速率及还原去除Cr(Ⅵ)效率。2.本专利技术提供的异质结复合光催化剂，进一步限定所述催化剂的形貌及粒径、比表面积等，从而提高所述催化剂的光催化效率。3.本专利技术提供的异质结复合光催化剂的制备方法，在乙酸钙的溶液中加入TiO2前驱体，所述TiO2前驱体发生水解、缩合反应，从而避免TiO2无机纳米粒子直接加入造成的团聚而不能得到均一混合液的难题，进而改善了催化剂各组分结合的均匀性，提高了光催化剂的性能。本专利技术的制备方法工艺简单、操作简便，便于大规模推广应用。4.本专利技术提供的异质结复合光催化剂的制备方法，选用乙二醇、丙三醇或聚乙二醇为溶剂，所述溶剂无毒绿色环保而且成本低，且无需使用其他表面活性剂，就可以制备高稳定性能的异质结复合光催化剂。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术实施例1中异质结复合光催化剂的X射线衍射(XRD)图；图2是金红石型TiO2标准物质的X射线衍射(XRD)图；图3是六方晶系CaTi4O9标准物质的X射线衍射(XRD)图；图4是正交晶系CaTiO3标准物质的X射线衍射(XRD)图。具体实施方式提供下述实施例是为了更好地进一步理解本专利技术，并不局限于所述最佳实施方式，不对本专利技术的内容和保护范围构成限制，任何人在本专利技术的启示下或是将本专利技术与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本专利技术相同或相近似的产品，均落在本专利技术的保护范围之内。实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。实施例1本实施例提供了一种异质结复合光催化剂，其制备方法如下：(1)制备异质结复合光催化剂的前驱体称量1.58gCa(CH3COO)2(0.01mol)加入60mL乙二醇溶液中，过夜磁力搅拌至完全溶解，再取3.40g钛酸正四丁酯(0.01mol)缓慢加入溶液中，磁力搅拌30min后，转移到100mL聚四氟乙烯反应釜中于160℃下保温24h。反应结束后自然冷却到室温，离心得到产品，并用无水乙醇离心洗涤三次，于60℃真空干燥箱中干燥10h得到白色粉末，即为所述异质结复合光催化剂的前驱体。(2)制备异质结复合光催化剂将上述光催化剂的前驱体置于研钵中均匀研磨30min后置于刚玉坩埚中以5℃/min升温速率加热一定温度下700℃焙烧2h，即得所述异质结复合光催化剂，其包括31wt％的金红石型TiO2、28wt％的六方晶系CaTi4O9及41wt％的正交晶系CaTiO3。用X射线衍射仪对上述异质结复合光催化剂及金红石型TiO2、六方晶系CaTi4O9和正交晶系CaTiO3标准物质分别进行晶相测试，结果分别见图1-4所示。由图1可以看出，2θ在23.2°，27.4°，31.0°，32.5°，33.1°，36.1°，39.1°，40.7°，41.2°，42.6°，44.0°，47.4°，48.3°，49.1°，53.5°，54.3°，56.6°，59.0°，62.7°，64.0°，69.5°，73.0°，79.1°处显示出特征衍射峰，对比图2、图3和图4可知，2θ在23.2°，33.1°，39.1°，40.7°，42.6°，47.4°，49.1°，53.5°，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种异质结复合光催化剂，其特征在于，包括31～90wt％的金红石型TiO2、4～28wt％的六方晶系CaTi4O9及6～41wt％的正交晶系CaTiO3。

【技术特征摘要】
1.一种异质结复合光催化剂，其特征在于，包括31～90wt％的金红石型TiO2、4～28wt％的六方晶系CaTi4O9及6～41wt％的正交晶系CaTiO3。2.根据权利要求1所述的异质结复合光催化剂，其特征在于，所述光催化剂的粒径为30～40nm，比表面积为20～25m2/g，孔体积为0.07～0.16cm3/g，孔径为12～38nm，带隙能为3.0～3.47eV。3.一种权利要求1或2所述的异质结复合光催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将乙酸钙充分分散于有机溶剂中，加入TiO2前驱体，混合均匀后将混合液在150～200℃下进行溶剂热反应18～30h，对所得产物进行冷却、分离、洗涤和干燥，即得所述异质结复合光催化剂的前驱体；对所述前驱体以4～6℃/min的升温速率匀速加热至650～750℃，随后保温至少1.8h，即得所述异质结复合光催化剂。4.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：余长林，周晚琴，李德豪，杨凯，
申请(专利权)人：广东石油化工学院，
类型：发明
国别省市：广东,44