一种纳米异质结光催化剂制造技术

本发明专利技术属于环境光催化技术领域，公开了一种纳米异质结光催化剂

【技术实现步骤摘要】
一种纳米异质结光催化剂、制备方法及应用


[0001]本专利技术属于环境光催化
，尤其涉及一种纳米异质结光催化剂
、
制备方法及应用
。

技术介绍

[0002]在过去几十年中，随着印染业和纺织业产量的不断增加，印染和纺织废水的排放量也在不断增加
。
据统计，每年有约
20
万吨的染料用于印染和纺织业，在工业中使用这些染料会在生产过程中产生大量染色废水
。
而印染废水含有大量难降解的有机物，如果未经妥善处理就排放进水体中，会造成不同程度的环境污染，生态破坏甚至危及到人体健康
。
目前最常用的污水处理方法有物理吸附
、
化学沉淀
、
生物处理等
。
但是这些污水处理技术存在技术路线复杂
、
污染物处理不彻底等缺点，目前亟需探索和开发高效
、
环保的处理水中有机污染物的技术
。
[0003]近年来，科学家们尝试各种方法，对水中有机污染进行处理，其中包括膜分离法
、
活性污泥法和高级氧化等
(AOPs)
等
。
在这些方法中，
AOPs
具有催化活性高，矿化和降解有机物能力强等优点，展现出广阔的应用前景
。
[0004]AOPs
是一种在特定反应条件下，生成具有强氧化能力的羟基自由基
(
·
OH)、
超氧自由基
(
·
O2‑
)
等活性氧物种
(ROS)
，将难降解的大分子有机物氧化成无毒或低毒小分子的水相氧化法
。
在
AOPs
中，基于半导体的光催化技术是最有前途的绿色技术之一，因为它能够利用太阳能作为能源将水中的有机污染物降解成水和
CO2，是真正绿色的水处理方式
。
二氧化钛
(TiO2)
作为
AOPs
中研究最广泛的光催化剂之一，因其催化活性高
、
稳定性好
、
成本低廉等优势，被广泛用于光催化研究中
。
但是由于
TiO2禁带宽度较宽
(
约为
3.2eV)、
光生载流子复合率高等原因，
TiO2的应用受到了很大的限制
。
为了改善
TiO2的催化能力，研究者们采用贵金属沉积
、
离子掺杂和半导体复合等方式对
TiO2进行改性
。TiO2与其他材料复合能够显著拓宽
TiO2的光谱响应范围，缩短光催化剂的带隙，从而改善
TiO2的光催化能力
。
在对
TiO2进行复合时，选择合适的材料不仅能够减小光催化剂的带隙，拓宽催化剂的光响应谱范围，还能提高催化剂的光生载流子分离效率
、
增强催化剂的光催化能力，所以选择合适的材料是设计纳米复合光催化剂的关键
。
[0005]石墨相氮化碳
(g
‑
C3N4)
是一种近年来备受关注的有机聚合物半导体材料，它具有稳定性高，成本低，催化活性好等优点
。
研究者通过将
TiO2与
g
‑
C3N4复合能够使得
TiO2的吸收光谱拓宽至可见光区，也有研究者以
TiOF2立方体和
g
‑
C3N4为原材料，通过溶剂热法合成了
g
‑
C3N4/TiO2。
制成的催化剂能够有效利用可见光
。
此外，
g
‑
C3N4与
TiO2的
(101)
面接触后，能够快速去除
TiO2(101)
面上积累的光子，这使得电子与空穴在空间上分离，从而有效地抑制了光生载流子复合
。
然而在目前的研究中，
TiO2与
g
‑
C3N4复合也仅能利用紫外和可见光进行光催化
。
而在太阳光中，紫外光区和可见光区的能量仅分别占5％和
48
％左右，所以仍有
47
％左右的红外光区的能量无法得到有效的利用
。
因此，设计出在红外光区也具有光响应能力的光催化剂成为提高催化剂能量利用率，从而增强光催化活性的有效方法之一
。
上转
换荧光纳米材料能够将低能的近红外光转换成高能的可见光或紫外光，引起人们的广泛关注
。
将上转换纳米材料与
TiO2复合能够很好的将催化剂的光响应谱拓宽至近红外光区
。
例如，有研究者将锐钛矿
TiO2纳米片和
β
‑
NaYF4:Yb,Tm
复合，合成了具有核壳结构的
NaYF4:Yb,Tm@TiO2。
对光催化剂进行的理化分析表明，紧密附着在
NaYF4上的
TiO2能够吸收
NaYF4:Yb,Tm
上转换发射出的光，在近红外光和模拟太阳光的照射下，
NaYF4:Yb,Tm@TiO2均可实现高效降解苯酚和罗丹明
B。
这表明与
NaYF4:Yb,Tm
复合，能够有效地提高
TiO2在近红外光区的能量利用率
。
[0006]四氟钇钠
(NaYF4)
是目前研究中上转换发光效率最高材料基质之一
。
镧系元素
(Ln
3+
)
掺杂的
NaYF4具有反斯托克斯位移大，化学稳定性高，发射峰锐利，毒性低等优点
。Yb
3+
离子的掺杂的
NaYF4能够吸收
980nm
的近红外光，
Nd
3+
的掺杂的
NaYF4对
808nm
的光有良好的吸收
。
而
Ho
3+
、Er
3+
、Tm
3+
等元素的掺杂可以在
NaYF4中可以作为激活剂，使得材料被近红外光激发后，发射出可见光和紫外光
。
在近些年的研究中，上转换纳米颗粒
(UCNPs)
主要以单光子激发为主，单光子激发利用的近红外光的波长仍有不足
。
而双光子激发的
UCNPs
能够提高对近红外光的吸收，提高能量的传递效率，从而提高光催化效率
。
为提高纳米材料对
NIR
能量的利用，可以使用
Yb
3+
、Nd
3+
作为敏化剂，
Tm
3+
作为激活剂来制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种纳米异质结光催化剂，其特征在于，所述纳米异质结光催化剂为具有全光谱响应能力的
NaYF4:Yb,Tm@NaYF4:Yb,Nd@TiO2@g
‑
C3N4均匀三元核壳结构的纳米异质结，所述均匀三元核壳结构的纳米异质结包括双光子激发的两层
NaYF4:Yb,Tm@NaYF4:Yb,Nd
上转换纳米粒子构成的核，纳米
TiO2半导体粒子构成的连续均匀的壳体以及壳体表面所缀连的片状
g
‑
C3N4纳米材料
。2.
根据权利要求1所述的纳米异质结光催化剂，其特征在于，所述上转换纳米粒子
NaYF4:Yb,Tm
和
NaYF4:Yb,Nd
在
980nm
和
808nm
近红外光的激发下，发射出波长
290nm
‑
650nm
的光；被激发的
NaYF4:Yb,Tm@NaYF4:Yb,Nd@TiO2@g
‑
C3N4纳米材料能够生成至少一种活性氧类物质
。3.
根据权利要求1所述的纳米异质结光催化剂，其特征在于，所述的上转换纳米粒子
NaYF4:Yb,Tm@NaYF4:Yb,Nd
与纳米
TiO2半导体粒子的摩尔比为
1:0.5
‑
2。4.
根据权利要求1所述的纳米异质结光催化剂，其特征在于，所述的上转换纳米粒子
NaYF4:Yb,Tm@NaYF4:Yb,Nd
与
g
‑
C3N4纳米材料的摩尔比为
1:0.5
‑
4。5.
根据权利要求1所述的纳米异质结光催化剂，其特征在于，所述的
TiO2和
g
‑
C3N4形成异质结结构抑制半导体的光生电子和光生空穴的复合
。6.
一种如权利要求1～5任意一项所述纳米异质结光催化剂在生成活性氧的产品中的应用，其特征在于，所述纳米异质结光催化剂为具有全光谱响应能力的
NaYF4:Yb,Tm@NaYF4:Yb,Nd@TiO2@g
‑
C3N4均匀三元核壳结构的纳米异质结，在水及水中溶解氧环境里，用近红外和
/
或可见光照射包含所述纳米异质结光催化剂的样品一定时间后，电子从半导体材料的价带激发到半导体材料的导带上，其中包括一种和
/
或多种活性氧源发生氧化还原反应，形成活性氧类物质
。7.
一种如权利要求1～5任意一项所述纳米异质结光催化剂在降解罗丹明
B
染料溶液中的应用，其特征在于，所述纳米异质结光催化剂为具有全光谱响应能力的
NaYF4:Yb,Tm@NaYF4:Yb,Nd@TiO2@g
‑
C3N4均匀三元核壳结构的纳米异质结，在水及水中溶解氧环境里，用
980nm、808nm
近红外和
/
或可见光照射包含所述纳米异质结光催化剂的罗丹明
B
染料溶液一定时间可使罗丹明
B
降解
。8.
一种如权利要求1～5任意一项所述纳米异质结光催化剂在处理实际废水中的应用，其特征在于，所述纳米异质结光催化剂为具有全光谱响应能力的
NaYF4:Yb,Tm@NaYF4:Yb,Nd@TiO2@g
‑
C3N4均匀三元核壳结构的纳米异质结，在可见光照射下所述纳米异质结光催化剂可有效降解实际废水中含氮有机污染物
。9.
一种纳米异质结光催化剂的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1～5任意一项所述的纳米异质结光催化剂，该制备方法包括：
S1
，采用水热法合成油酸
OA
修饰的
NaYF4:Yb,Tm
；
S2
，制备粉末
NaYF4:Yb,Tm@NaYF4:Yb,Nd
；
S3
，制备粉末
NaYF4:Yb,Tm@NaYF4:Yb,Nd@TiO2；
S4
，使用高温热处理法合成
g
‑
C3N4；
S5
，制备
NaYF4:Yb,Tm@NaYF4:Yb,Nd@TiO2@g
‑
C3N4。10.
根据权利要求9所述的纳米异质结光催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤
S1
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王百齐，舒悦，赵悦，令狐晓钰，陈肇，刘文琪，
申请(专利权)人：天津医科大学，
类型：发明
国别省市：