铑掺杂钛酸锶反蛋白石材料及其制备方法与其在压电协同光催化去除有机污染物中的应用技术

本发明专利技术公开了一种铑掺杂钛酸锶反蛋白石材料及其制备方法与其在去除有机污染物中的应用；通过垂直沉积法将单分散的聚苯乙烯微球自组装在FTO玻璃具有导电性的一面，制备三维有序的光子晶体蛋白石模板；将三维有序的光子晶体蛋白石模板浸入含有铑源、钛源、锶源的溶液中，再通过煅烧制备铑掺杂钛酸锶反蛋白石材料；将铑掺杂钛酸锶反蛋白石材料加入含有污染物的水中，然后光照和/或超声处理，完成水中污染物的去除。本发明专利技术的三维有序大孔铑掺杂钛酸锶反蛋白石材料能够被应用在光催化领域，在外力作用下，材料自发极化所形成的内置电场能够有效分离光致载流子，从而能够增强光催化性能，提高光催化效率。

Rhodium doped strontium titanate inverse opal material and its preparation method and its application in the removal of organic pollutants by piezoelectric synergetic photocatalysis

【技术实现步骤摘要】
铑掺杂钛酸锶反蛋白石材料及其制备方法与其在压电协同光催化去除有机污染物中的应用
本专利技术属于无机纳米材料及压电协同光催化
，具体涉及一种对可见光响应的三维有序大孔铑掺杂钛酸锶反蛋白石材料的制备方法及其在压电协同可见光催化降解水体中有机污染物的应用。
技术介绍
随着工业化快速发展，污水排放量迅速增加，水污染问题越来越严峻。传统的废水处理方法通常具有能耗大，不能兼容环境的特点，因此需要寻求高效绿色的污水处理方法以治理环境。最近，已报道了许多安全有效、绿色环保的修复方法来消除水生环境中的有机污染物，包括物理吸附、化学氧化、生物降解等。在这些方法中，光催化降解因具有环境友好性高，效率高，成本相对较低，操作条件简便等优点，被认为是最有潜力的选择。然而，一些单组分光催化剂在应用中存在着一些缺陷，例如较高的光生电子-空穴复合率，这导致了其较低的光量子效率和较低的光催化性能。钛酸锶（SrTiO3）是一种钙钛矿型光催化材料，具有高稳定性、耐酸碱性好、光照后不发生阳极光腐蚀、来源丰富、安全无毒、低成本等优点，同时它也拥有优异的铁电、压电、光电等性能，因而被广泛研究。然而，钛酸锶的宽带隙仅能吸收太阳光中的紫外光，这极大地限制了它的实际应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种对可见光响应的三维有序大孔反蛋白石材料，并且用相对廉价的过渡金属铑的氯化盐代替金、铂、钯等贵金属对钛酸锶进行微量的掺杂改性，解决了高昂的成本问题；同时本专利技术公开的材料能够通过压电协同光催化作用快速高效降解水体中的有机污染物。本专利技术的三维有序大孔铑掺杂钛酸锶反蛋白石材料能够被应用在光催化领域，在超声等外力作用下，材料自发极化所形成的内置电场能够有效分离光致载流子，从而能够增强光催化性能，提高光催化效率。为达到上述目的，本专利技术具体技术方案如下：钛酸锶反蛋白石材料，其制备方法包括以下步骤：（1）通过垂直沉积法将单分散的聚苯乙烯微球自组装在FTO玻璃具有导电性的一面，制备三维有序的光子晶体蛋白石模板；（2）将三维有序的光子晶体蛋白石模板浸入含有钛源、锶源的溶液中，再通过煅烧制备钛酸锶反蛋白石材料。铑掺杂钛酸锶反蛋白石材料，其制备方法包括以下步骤：（1）通过垂直沉积法将单分散的聚苯乙烯微球自组装在FTO玻璃具有导电性的一面，制备三维有序的光子晶体蛋白石模板；（2）将三维有序的光子晶体蛋白石模板浸入含有铑源、钛源、锶源的溶液中，再通过煅烧制备铑掺杂钛酸锶反蛋白石材料。一种催化去除水中污染物的方法，包括以下步骤：（1）通过垂直沉积法将单分散的聚苯乙烯微球自组装在FTO玻璃具有导电性的一面，制备三维有序的光子晶体蛋白石模板；（2）将三维有序的光子晶体蛋白石模板浸入含有铑源、钛源、锶源的溶液中，再通过煅烧制备铑掺杂钛酸锶反蛋白石材料；或将三维有序的光子晶体蛋白石模板浸入含有钛源、锶源的溶液中，再通过煅烧制备钛酸锶反蛋白石材料；（3）将铑掺杂钛酸锶反蛋白石材料或者钛酸锶反蛋白石材料加入含有污染物的水中，然后光照和/或超声处理，完成水中污染物的去除。本专利技术中，步骤（1）中，将单分散聚苯乙烯微球乳液铺在FTO玻璃具有导电性的一面上，恒温处理，制备三维有序的光子晶体蛋白石模板；优选的，FTO玻璃依次用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗；单分散聚苯乙烯微球乳液的浓度为0.125wt%；进一步优选的，单分散的聚苯乙烯微球的粒径为250～300nm，优选280nm；恒温处理的温度为40～50℃，时间为45～75小时。本专利技术中，步骤（2）中，煅烧前经过干燥，优选干燥温度为50～70℃，煅烧温度为400～650℃，升温速率为1～2℃/min，时间为1.5～2.5小时；铑源为氯化铑或硝酸铑，锶源为硝酸锶或醋酸锶，钛源为钛酸四正丁酯或钛酸四异丙酯；含有铑源、钛源、锶源的溶液中或者含有钛源、锶源的溶液中，溶剂为水，优选的，含有铑源、钛源、锶源的溶液或者含有钛源、锶源的溶液，还含有乙酸、柠檬酸。优选的，铑掺杂钛酸锶反蛋白石材料中，铑的掺杂量为锶摩尔量的0~1%。本专利技术中，步骤（3）中，污染物为双酚A；光照处理为300W氙灯光照处理，超声处理的功率为100~150W；优选光照同时通过施加超声提供外加机械振动以激发材料内部的压电效应，在外力作用下，材料自发极化所形成的内置电场能够有效分离光致载流子，从而能够增强光催化性能，提高光催化效率。本专利技术铑掺杂钛酸锶反蛋白石材料中，钙钛矿钛酸锶是最重要的n型半导体之一，具有大量的光催化位点，优异的耐光腐蚀性，热稳定性以及作为金属负载主体的良好结构稳定性并且成本低廉；反蛋白石材料的周期性结构表现出明显的慢光子效应，它可以禁止某些波长的光在材料中传播并产生阻带反射，并且慢光子效应也可以增加光的路径长度，增强光子-物质相互作用进一步提高半导体的光能转换效率。本专利技术公开了上述钛酸锶反蛋白石材料或者铑掺杂钛酸锶反蛋白石材料在去除有机污染物中的应用；优选的有机污染物为双酚A。由于上述技术方案的运用，本专利技术与现有技术相比具有下列优点：1.本专利技术的ABO3型钙钛矿结构，掺杂剂可以占据其A和B位置，同时掺杂后还能够保持稳定的钙钛矿结构，并且掺杂剂的选择具有极大的灵活性，尤其是本专利技术铑掺杂钛酸锶反蛋白石材料光响应范围从紫外光区移动到可见光区并且能有效地改善钛酸锶在可见光区的光催化活性，解决了现有许多过渡金属元素掺入钛酸锶晶格，但不能够将钛酸锶光响应范围从紫外光区移动到可见光区的缺陷。2.本专利技术公开的钛酸锶反蛋白石材料是在FTO基底上自组装聚苯乙烯微球，然后制备掺杂钛酸锶前驱体，并通过毛细管力将前驱体填充到蛋白石模板的缝隙中，通过煅烧的方法将模板去除，从而得到三维孔洞结构。铑掺杂钛酸锶反蛋白石的周期性结构可以增加光的路径长度，增强光子-物质相互作用，进一步增强光的吸收，利用更多的光子，从而进一步提高半导体的光能转换效率，增强材料的光催化性能。同时，其三维有序多孔结构比普通纳米颗粒材料具有更大的比表面积，有利于暴露催化剂的活性位，对光在其内部的传播有多重散射作用。3.本专利技术公开的铑掺杂钛酸锶反蛋白石也是一种压电材料，当外力作用时，由于其自发极化，在钛酸锶内部形成电场，可以有效地分离电子和空穴，实现在外力作用下对有机污染物的光催化分解，提高光催化活性。同时它又不具有传统压电材料锆钛酸铅（PZT）所具有的毒性，且成本低廉，有利于进一步的推广应用。附图说明图1为实施例三的钛酸锶反蛋白石（SrTiO3IO）的扫描电镜图；图2为实施例四的铑掺杂钛酸锶反蛋白石（Rh-SrTiO3IO）的扫描电镜图；图3为实施例四的铑掺杂钛酸锶反蛋白石（Rh-SrTiO3IO）的透射电镜图；图4为实施例四的铑掺杂钛酸锶反蛋白石（Rh-SrTiO3IO）的紫外可见吸收光谱图；图5为实施例六的钛酸锶反蛋白石（SrTiO3IO）和铑掺杂钛酸锶反蛋白石（Rh-SrTiO3IO）降解双酚A的效果图。具体实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.钛酸锶反蛋白石材料，其特征在于，所述钛酸锶反蛋白石材料的制备方法包括以下步骤：/n（1）通过垂直沉积法将单分散的聚苯乙烯微球自组装在FTO玻璃具有导电性的一面，制备三维有序的光子晶体蛋白石模板；/n（2）将三维有序的光子晶体蛋白石模板浸入含有钛源、锶源的溶液中，再通过煅烧制备钛酸锶反蛋白石材料。/n

【技术特征摘要】
1.钛酸锶反蛋白石材料，其特征在于，所述钛酸锶反蛋白石材料的制备方法包括以下步骤：
（1）通过垂直沉积法将单分散的聚苯乙烯微球自组装在FTO玻璃具有导电性的一面，制备三维有序的光子晶体蛋白石模板；
（2）将三维有序的光子晶体蛋白石模板浸入含有钛源、锶源的溶液中，再通过煅烧制备钛酸锶反蛋白石材料。


2.根据权利要求1所述钛酸锶反蛋白石材料，其特征在于，步骤（1）中，单分散的聚苯乙烯微球的粒径为250～300nm；步骤（2）中，煅烧的温度为400～650℃；煅烧前经过干燥。


3.根据权利要求1所述钛酸锶反蛋白石材料，其特征在于，锶源为硝酸锶或醋酸锶；钛源为钛酸四正丁酯或钛酸四异丙酯。


4.根据权利要求1所述钛酸锶反蛋白石材料，其特征在于，含有钛源、锶源的溶液中，溶剂为水；含有钛源、锶源的溶液还含有乙酸、柠檬酸。


5.铑掺杂钛酸锶反蛋白石材料，其特征在于，所述铑掺杂钛酸锶反蛋白石材料制备方法包括以下步骤：
（1）通过垂直沉积法将单分散的聚苯乙烯微球自组装在FTO玻璃具有导电性的一面，制备三维有序的光子晶体蛋白石模板；
（2）将三维有序的光子晶体蛋白石模板浸入含有铑源、钛源、锶源的溶液中，再通过煅烧制备铑掺杂钛酸锶...

【专利技术属性】
技术研发人员：路建美，李娜君，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32