一種用于空氣凈化的表面等離子共振增強(qiáng)光催化劑及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于空氣凈化用納米材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種在可見光作用下就可發(fā)生光催化作用的用于空氣凈化的表面等離子共振增強(qiáng)光催化劑及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，室內(nèi)空氣污染問題日益受到人們的重視，室內(nèi)空氣污染主要是使用裝修材料帶來的空氣中甲醛、揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)、氨等有害物質(zhì)的超標(biāo)。利用半導(dǎo)體光催化材料將室內(nèi)空氣污染物分解為無害無味的物質(zhì)被認(rèn)為是目前公認(rèn)有效的主要方法。半導(dǎo)體光催化技術(shù)能夠快速高效的處理室內(nèi)空氣污染物，操作簡單，成本低，更重要的是不產(chǎn)生二次污染，可將室內(nèi)空氣污染物的危害降至最低。但目前絕大部分半導(dǎo)體光催化材料帶隙較寬，存在光生電子和空穴容易發(fā)生復(fù)合，以及只能在紫外光照射下進(jìn)行激發(fā)的缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，其光催化作用難以充分發(fā)揮?？梢姽忭憫?yīng)催化劑的研制是實(shí)現(xiàn)太陽能高效利用的關(guān)鍵，因此，開發(fā)有效降低電子空穴復(fù)合率，提高對(duì)可見光的利用率的新型復(fù)合半導(dǎo)體光催化劑具有重要的實(shí)用價(jià)值。
[0003]帶納米孔的氮摻雜碳納米材料是一種新型的碳納米材料，具有大的比表面積，豐富的氮元素，納米孔的存在非常有利于有機(jī)污染物的吸附。同時(shí)，金，銀，鉑，鈀等貴金屬納米材料因表面等離子體共振效應(yīng)，在可見光區(qū)域展現(xiàn)出很強(qiáng)的光譜吸收。貴金屬納米材料不僅能通過表面等離子體共振效應(yīng)增強(qiáng)對(duì)可見光的吸收，而且可有效抑制復(fù)合光催化材料的光生電子-空穴的復(fù)合，大幅提高光催化空氣凈化效率。不同形貌和大小的貴金屬納米材料具有不同表面等離子共振效應(yīng)，因此可以通過調(diào)節(jié)貴金屬納米材料的形貌和大小來調(diào)節(jié)復(fù)合光催化材料的光催化性能。目前關(guān)于兩種以及兩種以上的具有表面等離子體共振效應(yīng)的貴金屬納米材料與半導(dǎo)體復(fù)合，并負(fù)載于帶納米孔的氮摻雜碳納米材料上形成可見光響應(yīng)的光催化材料的制備及應(yīng)用還未見報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有光催化技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種用于空氣凈化的表面等離子共振增強(qiáng)光催化劑及其制備方法和應(yīng)用。
[0005]所述的一種用于空氣凈化的表面等離子共振增強(qiáng)的復(fù)合納米光催化劑，其特征在于由帶納米孔的氮摻雜碳納米材料、所述無機(jī)半導(dǎo)體氧化物和具有表面等離子共振效應(yīng)的納米貴金屬材料反應(yīng)制得，所述氮摻雜碳納米材料、所述無機(jī)半導(dǎo)體氧化物和納米貴金屬材料的投料質(zhì)量比為10-50:1-5:0.1-1。
[0006]所述的一種用于空氣凈化的表面等離子共振增強(qiáng)的復(fù)合納米光催化劑，其特征在于所述帶納米孔的氮摻雜碳納米材料包括帶納米孔的氮摻雜石墨稀、帶納米孔的氮摻雜碳納米管、帶納米孔的氮摻雜活性炭。
[0007]所述的一種用于空氣凈化的表面等離子共振增強(qiáng)的復(fù)合納米光催化劑，其特征在于所述無機(jī)半導(dǎo)體氧化物包括Ti02和W03。
[0008]所述的一種用于空氣凈化的表面等離子共振增強(qiáng)的復(fù)合納米光催化劑，其特征在于所述無機(jī)半導(dǎo)體氧化物的粒徑為1-100 nm，優(yōu)選為5_50 nm。
[0009]所述的一種用于空氣凈化的表面等離子共振增強(qiáng)的復(fù)合納米光催化劑，其特征在于所述納米貴金屬材料包括Pt、Au、Ag，所述具有表面等離子共振效應(yīng)的納米貴金屬材料的形貌為納米顆粒，所述納米顆粒的粒徑為1-50 nm，優(yōu)選為3-30 nm。
[0010]所述的一種用于空氣凈化的表面等離子共振增強(qiáng)的復(fù)合納米光催化劑的制備方法，其特征在于包括如下步驟:
1)將1-5克的無機(jī)半導(dǎo)體氧化物分散在500-1000mL水溶液中，稱為A溶液；
2)將兩種或者兩種以上的具有表面等離子共振效應(yīng)的納米貴金屬材料的前驅(qū)體各100-1000mg 一起混合分散在10-100mL水溶液中，稱為B溶液；
3)將步驟2)得到的B溶液緩慢滴加到步驟1)得到的A溶液中，常溫?cái)嚢?-5小時(shí)后，控制溶液的pH值在5-10中間，滴加一定濃度的硼氫化鈉水溶液，將納米貴金屬材料的前驅(qū)體還原成納米貴金屬顆粒，并均勾負(fù)載在無機(jī)半導(dǎo)體氧化物上，得到水溶液；
4)帶納米孔的氮摻雜碳納米材料的制備:將50-100克碳納米材料分散于10-30%濃度的300-1000mL的雙氧水溶液中，在30_100°C的超聲波振蕩器中超聲10-50小時(shí)，后用大量去離子水清洗，過濾，在30-70°C真空干燥箱中干燥12-24小時(shí)，后在300_700°C的氨氣氣氛的管式爐中焙燒2-7小時(shí)，得到帶納米孔的氮摻雜碳納米材料；
5)將帶納米孔的氮摻雜碳納米材料5-10克加入步驟3)中，通過超聲分散在步驟3)的水溶液中，常溫?cái)嚢?2-24小時(shí)，使負(fù)載有納米貴金屬材料的無機(jī)半導(dǎo)體氧化物均勻分散在氮摻雜納米材料表面，過濾收集產(chǎn)物，30-100°C真空干燥，而后在100-300°C下用空氣焙燒5-12小時(shí)，得到表面等離子共振增強(qiáng)的復(fù)合納米光催化劑。
[0011]所述的一種用于空氣凈化的表面等離子共振增強(qiáng)的復(fù)合納米光催化劑的制備方法，其特征在于所述納米貴金屬材料的前驅(qū)體包括氯鉑酸，氯鉑酸鉀，亞氯鉑酸鉀，氯鈀酸，硝酸鈀，醋酸鈀，氯化金，氯金酸鉀，硝酸銀或硫酸銀。
[0012]所述的一種用于空氣凈化的表面等離子共振增強(qiáng)的復(fù)合納米光催化劑的制備方法，其特征在于步驟3)中pH值通過滴加5mol/L的NaOH溶液控制。
[0013]所述的一種用于空氣凈化的表面等離子共振增強(qiáng)的復(fù)合納米光催化劑的制備方法，其特征在于硼氫化鈉水溶液的濃度為10-50mmol/L。
[0014]所述的用于空氣凈化的表面等離子共振增強(qiáng)的復(fù)合納米光催化劑在空氣凈化中的應(yīng)用。
[0015]通過采用上述技術(shù)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下:
1)本發(fā)明提出了在半導(dǎo)體表面加入兩種以及兩種以上的具有表面等離子體共振效應(yīng)的貴金屬納米材料，并負(fù)載于帶納米孔的氮摻雜碳納米材料表面來提高電子-空穴對(duì)的分離效率的策略，從而增強(qiáng)復(fù)合納米材料對(duì)光催化降解有機(jī)污染物的活性。在可見光作用下，兩種以及兩種以上的貴金屬納米材料產(chǎn)生局域表面等離子體共振，激發(fā)電子-空穴對(duì)，貴金屬納米材料和半導(dǎo)體之間較低的肖特基勢(shì)皇，被增強(qiáng)能量的電子從貴金屬納米材料轉(zhuǎn)移至半導(dǎo)體，電子可以與空氣中的氧氣結(jié)合形成氧負(fù)離子，空穴也迀移到半導(dǎo)體的表面，空穴與空氣中的水分子結(jié)合形成羥基自由基，羥基自由基具有極強(qiáng)的活性，可與有機(jī)污染物結(jié)合發(fā)生降解反應(yīng)。與此同時(shí)，帶納米孔的氮摻雜碳也有利于提高半導(dǎo)體材料的分散及穩(wěn)定性，從而大大促進(jìn)并增強(qiáng)有機(jī)污染物的降解；
2)通過本發(fā)明的方法得到的表面等離子共振增強(qiáng)光催化劑，有效的提高了其對(duì)可見光的吸收，制備工藝簡單。此發(fā)明技術(shù)利用兩種及兩種以上的貴金屬納米材料在可見光作用下的增強(qiáng)表面等離子共振效應(yīng)，降解效率大大提高。本發(fā)明的表面等離子共振增強(qiáng)光催化劑，可適用于各種室內(nèi)場所，如壁紙、板材、油漆、金屬、瓷磚等內(nèi)墻基材表面，以及燈具、窗簾、衛(wèi)生瓷潔具等家具表面，在可見光下降解室內(nèi)有機(jī)污染物。同時(shí)，本發(fā)明的表面等離子共振增強(qiáng)光催化劑活性較高，在無光條件下亦具有降解有機(jī)污染物的功能，具有較高的實(shí)用價(jià)值。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的產(chǎn)品及對(duì)比實(shí)施例處理甲醛時(shí)甲醛降解圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0018]實(shí)施例1
將5g尺寸為20-30nm的納米Ti02顆粒分散在1000mL水溶液中，稱為A溶液；將氯鉑酸和氯金酸各200mg —起混合分散在100mL水溶液中，稱為B溶液。將B溶液緩慢滴加到A溶液中，常溫?cái)嚢?小時(shí)后，用5mol/L的NaOH溶液控制A溶液的pH值在8左右，而后快速滴加100ml的硼氫化鈉水溶液(10mmol/L)將氯鈾酸和氯金酸還原成納米鈾和納米金顆粒，并使其均勻負(fù)載在納米Ti02上。
[0019]帶納米孔的氮摻雜石墨烯的制備:將50克氧化石墨烯分散于30%濃度的1000mL的雙氧水溶液中，在60°C的超聲波振蕩器中超聲30小時(shí)，后用大量去離子水清洗，過濾，在60 °C真空干燥箱中干燥24小時(shí)，后在500 V的氨氣氣氛的管式爐中焙燒4小時(shí)，得到帶納米孔的氮摻雜石墨烯納米材料。
[0020]而后將帶納米孔的氮摻雜石墨烯30g超聲分散上述水溶液中，常溫?cái)嚢?4小時(shí)，使負(fù)載有納米鈾和納米金的Ti02均勾分散在帶納米孔的氮摻雜石墨稀表面，過濾收集產(chǎn)物，90°C真空干燥，而后在300°C下用空氣焙燒7小時(shí)，得到表面等離子共振增強(qiáng)的復(fù)合納米光催化劑鈾金/ 二氧化鈦/帶納米孔的氮摻雜石墨稀，簡稱Pt Au/Ti02/NPGo
[0021]實(shí)施例