一种复合光电催化材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种复合光电催化材料，包括由钛或者钛合金制成的基体，所述基体的表面上覆盖有光催化剂层和电催化剂层，所述光催化剂层和所述电催化剂层分别均匀且有规律地交错设置在所述基体的表面上，所述光催化剂层与所述电催化剂层在所述基体上的覆盖面积之比为1:9～9:1，所述光催化剂层由二氧化钛制成，所述电催化剂层由铂族金属或铂族金属氧化物制成。该复合光电催化材料，集合光催化剂的和电催化剂的性能，且二者能够协同作用，提高光催化效率，还能够直接用作电解食盐水制取次氯酸钠消毒液，因此在净水消毒两用器具中有很好的应用前景。本发明专利技术还公开了一种复合光电催化材料的制备方法。

A composite photocatalysis material and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种复合光电催化材料及其制备方法
本专利技术涉及光电催化
，具体涉及的是一种复合光电催化材料及其制备方法。
技术介绍
以半导体氧化物为催化剂的多相光催化是一种理想的环境污染治理技术。大量的研究结果证实，该技术能在常温常压条件下无选择性地将难降解和有毒有机染料完全降解为CO2和H2O，将无机污染物氧化或还原为无害物质，成为近年来国际上最为活跃的研究领域之一。多相光催化技术的基本原理为：当半导体光催化剂(如TiO2等)受到能量大于禁带宽度的光照射时，其价带上的电子(e－)受到激发，跃过禁带进入导带，在价带留下带正电的空穴(h+)。光生空穴具有强氧化性，光生电子具有强还原性，可直接氧化和还原吸附在表面上的污染物，或与吸附在催化剂表面上的O2、OH－和H2O发生反应，生成具有高度化学活性的羟基自由基(·OH)及H2O2，进而将有机污染物降解。异相光催化技术是非常有潜力的环境污染治理技术，但大规模工业化应用极少，最主要的问题就在于缺少经济、高效的污水光催化处理装置。而更深层次的原因则在于光催化技术还存在悬而未决的科学问题，包括：如何高效地抑制光生电子-空穴的复合，从而提高光量子效率；如何实现光催化材料低成本规模化制备技术。技术创新要以应用为导向，才能发挥出技术的真正价值。只有抑制电子与空穴的复合，才能提高光催化效率。世界各国都投入了大量的人力和物力对此展开了深入的研究，并产生了许多值得借鉴的优秀研究成果。例如，通过适当增加催化剂晶体缺陷、适量金属离子掺杂、贵金属表面沉积、两种或多种半导体的耦合等手段均能使催化剂自身形成有效的电荷载体陷阱，使电子和空穴的分离寿命延长几分之一纳秒。电子俘获剂的使用能够将电子和空穴彻底分离，是进一步有效抑制电子和空穴复合的手段。光致电子的俘获剂是溶解氧，因为氧在水中的溶解度较低，需要外部供氧。研究人员比较几种供氧方式对溶解氧浓度的影响。结果表明，向污水中直接吹入氧气的方式，污水中溶解氧浓度可达到25～40mg/L；而直接吹入空气的方式，污水中溶解氧的浓度仅能达到8.0～8.5mg/L，且继续吹入空气无法继续提高污水中溶解氧浓度。保持高浓度的溶解氧是促进传质效率，是实现污染物快速、高效降解的关键技术。印染废水排放量巨大，供氧远不如在实验室里那么容易操作。直接吹入空气供氧方式成本低，但低浓度的溶解氧不利于污染物的快速降解。采用纯氧增氧方法虽然具有增氧速度快、效率高的特点，但如果氧气气泡过大，在水中不能完全溶解，就会造成浪费而增加成本。传统的曝气方式很难克服气泡过大问题，适合于空气增氧方法，但不适合作为纯氧增氧的方式。电催化高级氧化技术也是一种非常有前景的高浓度、有毒、难降解有机废水处理技术。近年来受到广大环保工作者的关注，得到快速发展。电催化氧化过程主要指阳极过程，通过选用具有电催化活性的电极材料，可以使目标反应物直接在电极表面失去电子而被氧化，也可以是通过阳极过程产生具有强氧化性的羟基自由基，使目标物被氧化，最终达到氧化降解污染物的目的。优点是不需要外加任何试剂，对各类有机染料废水的处理能力强(即适应性好)，理论上非常适合于排水量大的纺织印染工业。缺点是阳极存在析氧副反应，阴极存在析氢副反应，导致电流效率低下。电流利用率低、能耗高是限制其在印染废水处理领域推广应用的主要因素。因此，研究提高电流利用效率的方法对电催化技术的工业化应用有重要的意义。基于以上情况，本专利技术从解决光催化技术中高效供氧难、电催化技术电流效率低两大难题出发，提出以电催化析氧副反应作为光催化技术的高效供氧方式，实现电催化技术与光催化技术融合互补，进而开展相应的电催化材料和光催化材料和宏量制备技术的应用基础性研究，进而形成本专利技术的技术方案。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种复合光电催化材料，集合光催化剂的和电催化剂的性能，且二者能够协同作用，提高光催化效率，还能够直接用作电解食盐水制取次氯酸钠消毒液，因此在净水消毒两用器具中有很好的应用前景。为了达成上述目的，本专利技术的解决方案是：一种复合光电催化材料，包括由钛或者钛合金制成的基体，所述基体的表面上覆盖有光催化剂层和电催化剂层，所述光催化剂层和所述电催化剂层分别均匀且有规律地交错设置在所述基体的表面上，所述光催化剂层与所述电催化剂层在所述基体上的覆盖面积之比为1:9～9:1，所述光催化剂层由二氧化钛制成，所述电催化剂层由铂族金属或铂族金属氧化物制成。所述光催化剂层的厚度为250～500nm，所述电催化剂层的厚度为0.5～2μm。一种复合光电催化材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1、基体表面的清洁处理：先用清洗剂除去由钛或者钛合金制成的基体表面的油污，然后在3％氢氟酸水溶液中于常温下浸泡20～40min后取出，用清水洗净；步骤2、光催化剂层的制备：将均匀设置有网孔的覆盖膜贴合于经过清洁处理的基体表面，然后将基体作为阳极置于含0.25wt％～0.5wt％NH4F的乙二醇溶液中，在15～35V的阳极电压下进行阳极氧化反应，反应0.5～5h后取出，撕去覆盖膜，并用清水洗净，在基体的表面覆盖均匀规律设置的光催化剂层，且撕去覆盖膜的区域为待电镀区域；步骤3、电催化剂层的制备：将步骤2制得的规律覆盖有光催化剂层的基体置于含铂族金属离子的电镀液中作为阴极，在50～500A/m2的阴极电流密度下电镀5～50min后取出，用清水洗净，在基体的待电镀区域上覆盖均匀规律设置的由铂族金属制成的电催化剂层，且电催化剂层在光催化剂层之间分布，得到所述复合光电催化材料；进一步在300～600℃下热处理30～180min，则电催化剂层的铂族金属氧化为铂族金属氧化物；从而制备得到所述复合光电催化材料，所述光催化剂层和所述电催化剂层分别均匀且有规律地交错设置在所述基体的表面上；步骤2中，通过控制覆盖膜中网孔的大小，控制光催化剂层与电催化剂层在所述基体上的覆盖面积之比为1:9～9:1；通过控制步骤2中阳极氧化反应的时间，控制光催化剂层在所述基体上覆盖的厚度为250～500nm，通过控制步骤3中电镀的电流密度和时间，控制电催化剂层在所述基体上覆盖的厚度为0.5～2μm。一种复合光电催化材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1、基体表面的清洁处理：先用清洗剂除去由钛或者钛合金制成的基体表面的油污，然后在3％氢氟酸水溶液中于常温下浸泡10～15min后取出，用清水洗净；步骤2、光催化剂层的制备：在经过清洁处理的基体表面均匀且规律地施不导电防水胶，然后将基体作为阳极置于含0.25wt％～0.5wt％NH4F的乙二醇溶液中，在15～35V的阳极电压下进行阳极氧化反应，反应0.5～5h后取出，刮去附着在基体上的不导电防水胶，并用清水洗净，则在基体的表面覆盖有均匀规律设置的光催化剂层，且刮去不导电防水胶的基体的表面为待电镀区域；步骤3、电催化剂层的制备：将步骤2制得的规律覆盖有光催化剂层的基体置于含铂族金属离子的电镀液中作为阴极，在50～500A/m2的阴极电流密度下电镀5～50min后取出，用清水洗净，在基体的待电镀区域上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合光电催化材料，包括由钛或者钛合金制成的基体，其特征在于：所述基体的表面上覆盖有光催化剂层和电催化剂层，所述光催化剂层和所述电催化剂层分别均匀且有规律地交错设置在所述基体的表面上，所述光催化剂层与所述电催化剂层在所述基体上的覆盖面积之比为1:9～9:1，所述光催化剂层由二氧化钛制成，所述电催化剂层由铂族金属或铂族金属氧化物制成。/n

【技术特征摘要】
1.一种复合光电催化材料，包括由钛或者钛合金制成的基体，其特征在于：所述基体的表面上覆盖有光催化剂层和电催化剂层，所述光催化剂层和所述电催化剂层分别均匀且有规律地交错设置在所述基体的表面上，所述光催化剂层与所述电催化剂层在所述基体上的覆盖面积之比为1:9～9:1，所述光催化剂层由二氧化钛制成，所述电催化剂层由铂族金属或铂族金属氧化物制成。


2.根据权利要求1所述的一种复合光电催化材料，其特征在于：所述光催化剂层的厚度为250～500nm，所述电催化剂层的厚度为0.5～2μm。


3.制备如权利要求1所述的一种复合光电催化材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、基体表面的清洁处理：先用清洗剂除去由钛或者钛合金制成的基体表面的油污，然后在3％氢氟酸水溶液中于常温下浸泡20～40min后取出，用清水洗净；
步骤2、光催化剂层的制备：将均匀设置有网孔的覆盖膜贴合于经过清洁处理的基体表面，然后将基体作为阳极置于含0.25wt％～0.5wt％NH4F的乙二醇溶液中，在15～35V的阳极电压下进行阳极氧化反应，反应0.5～5h后取出，撕去覆盖膜，并用清水洗净，在基体的表面覆盖均匀规律设置的光催化剂层，且撕去覆盖膜的区域为待电镀区域；
步骤3、电催化剂层的制备：将步骤2制得的规律覆盖有光催化剂层的基体置于含铂族金属离子的电镀液中作为阴极，在50～500A/m2的阴极电流密度下电镀5～50min后取出，用清水洗净，在基体的待电镀区域上覆盖均匀规律设置的由铂族金属制成的电催化剂层，且电催化剂层在光催化剂层之间分布，得到所述复合光电催化材料；进一步在300～600℃下热处理30～180min，则电催化剂层的铂族金属氧化为铂族金属氧化物；从而制备得到所述复合光电催化材料，所述光催化剂层和所述电催化剂层分别均匀且有规律地交错设置在所述基体的表面上；
步骤2中，通过控制覆盖膜中网孔的大小，控制光催化剂层与电催化剂层在所述基体上的覆盖面积之比为1:9～9:1；通过控制步骤2中阳极氧化反应的时间，控制光催化剂层在所述基体上覆盖的厚度为250～500nm，通过控制步骤3中电镀的电流密度和时间，控制电催化剂层在所述基体上覆盖的厚度为0.5～2μm。


4.制备如权利要求1所述的一种复合光电催化材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、基体表面的清洁处理：先用清洗剂除去由钛或者钛合金制成的基体表面的油污，然后在3％氢氟酸水溶液中于常温下浸泡10～15min后取出，用清水洗净；
步骤2、光催化剂层的制备：在经过清洁处理的基体表面均匀且规律地施不导电防水胶，然后将基体作为阳极置于含0.25wt％～0.5wt％NH4F的乙二醇溶液中，在15～35V的阳极电压下进行阳极氧化反应，反应0.5～5h后取出，刮去附着在基体上的不导电防水胶，并用清水洗净，则在基体的表面覆...

【专利技术属性】
技术研发人员：左娟，朱君秋，吴允苗，
申请(专利权)人：左娟，朱君秋，
类型：发明
国别省市：福建;35