金属掺杂多孔碳基可见光催化剂的喷雾热解制备方法、合成系统及其应用

技术领域

本发明涉及多孔碳材料光催化剂制备领域，具体涉及金属掺杂多孔碳基可见光催化剂的喷雾热解制备方法、合成系统及其应用。

背景技术

光催化剂，是一种以纳米级二氧化钛为代表的具有光催化功能的半导体材料的总称。以二氧化钛为例，其能在光照射下产生强氧化性的物质(如羟基自由基、氧气等)，并且可用于分解有机化合物、部分无机化合物、细菌及病毒等。然而，现有的光催化材料具有如下缺点：(1)现有光催化材料光利用效率低，例如传统的二氧化钛基光催化剂只能对紫外波段的光线有很好的利用；(2)现有光催化材料存在光腐蚀，使用一段时间后材料本身会被分解破坏，进而大幅降低催化剂使用寿命；(3)现有光催化剂材料比表面积不足，且发生团聚后比表面积还会大幅降低，催化剂无法充分有效的利用。

另外，可以采用碳基多孔材料水热法制备光催化材料，但是传统水热法合成碳基多孔材料是直接将全部原料放入反应釜中进行反应，后续碳材料还需进行清洗研磨过筛等操作，无法保证样品的稳定均一，且后续进行金属及杂原子掺杂时还要进行额外的改性步骤，十分繁琐。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属掺杂多孔碳基可见光催化剂的喷雾热解制备方法、合成系统及其应用，其以蔗糖作为碳源基质材料，并在配置前驱液后经过一步喷雾热解法即可制得光催化剂材料，可以通过调节前驱液方便地进行改性掺杂。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

金属掺杂多孔碳基可见光催化剂的喷雾热解制备方法，所述方法的步骤包括

步骤一：将碳源材料、造孔剂、金属盐溶液混合后溶于去离子水中，形成前驱液；

步骤二：将前驱液超声雾化后随载气送入热解设备中，热解1-2s，形成催化剂材料前体；

步骤三：将催化剂材料前体降温后收集，并进行清洗及改性处理，即得金属掺杂多孔碳基可见光催化剂材料。

进一步改进在于，所述前驱液中各成份的质量占比为碳源材料0.5-5％、造孔剂0.5-5％、金属盐溶液0.1-2％。

进一步改进在于，所述碳源材料为蔗糖。

进一步改进在于，所述造孔剂为碳酸钠或氯化钠。

进一步改进在于，所述金属盐溶液为硫酸铜。

进一步改进在于，所述载气采用流通速率为0.1-5L/min的氮气。

进一步改进在于，所述热解的温度为600-800℃。

进一步改进在于，步骤三中采用稀盐酸浸洗收集得到的催化剂材料前体以调节表面电位，浸洗完成后对催化剂材料前体进行分离清洗并干燥处理。

本发明提供了一种用于实施上述方法的合成系统，所述合成系统包括喷雾装置、热解装置和收集装置，所述喷雾装置由喷雾容器、设在喷雾容器内的超声波雾化器、以及连接于喷雾容器的氮气罐组成，所述收集装置通过管道与喷雾容器连接，所述热解装置选用管式炉，管式炉设于收集装置与喷雾容器之间的连接管道上。

本发明提供了一种由上述方法制得的金属掺杂多孔碳基可见光催化剂在染料催化降解中的应用，所述染料为甲基橙、亚甲基蓝或刚果红等。

本发明的有益效果在于：

1)合成步骤简单，前驱液配置后经过一步热解法后即可制得光催化剂材料，省去了后续清洗研磨过筛等操作，以及金属及杂原子掺杂时进行的额外改性操作；

2)传统光催化剂多利用二氧化钛，其带隙为3.1-3.2eV，只能利用紫外波段的光，日光利用效率低，本方法通过一步热解合成法，在纳米级多孔碳材料表面负载带间隙为1.2-2.2eV的氧化铜和氧化亚铜纳米颗粒，使制得催化剂材料能带隙降低，大幅提高对日光的利用率；

3)碳材料结构稳定，采用碳材料作为催化剂基质可大幅减少光腐蚀的发生，保证催化剂的稳定工作，延长使用寿命；

4)纳米级的多孔碳具有丰富的多孔结构，可大幅提升催化剂材料的比表面积，且通过负载金属及相应改性调节可以提高催化剂材料粒子的表面电负性，进而避免催化剂材料的团聚，保持反应全程都具有较高的比表面积；

5)此催化剂材料可用于染料及其他有机污染物的无害化降解处理；

6)此催化剂材料制备所需原料廉价易得，便于后续大规模利用。

附图说明

图1为本发明一步热解法所制得可见光催化剂的TEM图；

图2为金属掺杂多孔碳基可见光催化剂的喷雾热解制备系统的示意图；

图3为可见光催化剂甲基橙降解曲线图；

图中：1、热解装置；2、收集装置；3、喷雾容器；4、超声波雾化器；5、氮气罐；6、管道。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

金属掺杂多孔碳基可见光催化剂的喷雾热解制备方法，所述方法的步骤包括：

步骤一：将碳源材料、造孔剂、金属盐溶液混合后溶于去离子水中，形成前驱液，前驱液中各成份的质量占比为碳源材料0.5％、造孔剂0.5％、金属盐溶液0.1％；

步骤二：将前驱液超声雾化后随载气(流通速率为0.1L/min的氮气)送入热解设备中，700℃下热解1.5s，形成催化剂材料前体；

步骤三：将材料前体降温后收集，并采用稀盐酸浸洗收集得到的材料前体，以调节表面电位，提高分散性防止后续聚集，浸洗完成后对前体材料进行分离清洗并干燥处理。

实施例2

金属掺杂多孔碳基可见光催化剂的喷雾热解制备方法，所述方法的步骤包括：

步骤一：将碳源材料、造孔剂、金属盐溶液混合后溶于去离子水中，形成前驱液，前驱液中各成份的质量占比为碳源材料5％、造孔剂5％、金属盐溶液1％；

步骤二：将前驱液超声雾化后随载气(流通速率为2L/min的氮气)送入热解设备中，600℃下热解2s，形成催化剂材料前体；

步骤三：将材料前体降温后收集，并采用稀盐酸浸洗收集得到的材料前体，以调节表面电位，提高分散性防止后续聚集，浸洗完成后对前体材料进行分离清洗并干燥处理。

实施例3

金属掺杂多孔碳基可见光催化剂的喷雾热解制备方法，所述方法的步骤包括：

步骤一：将碳源材料、造孔剂、金属盐溶液混合后溶于去离子水中，形成前驱液，前驱液中各成份的质量占比为碳源材料2％、造孔剂2％、金属盐溶液2％；

步骤二：将前驱液超声雾化后随载气(流通速率为5L/min的氮气)送入热解设备中，800℃下热解1s，形成催化剂材料前体；

步骤三：将材料前体降温后收集，并采用稀盐酸浸洗收集得到的材料前体，以调节表面电位，提高分散性防止后续聚集，浸洗完成后对前体材料进行分离清洗并干燥处理，所制得光催化剂样品的透射电子显微镜TEM图如图1所示

上述实施例中，所述碳源材料为蔗糖，所述造孔剂为碳酸钠，所述金属盐溶液为硫酸铜。当然，在本发明实施过程中，碳源材料、造孔剂和金属盐溶液均可以根据需要选用其他物质，例如碳源材料还可以选用葡萄糖、麦芽糖和甘油等，造孔剂还可以选用碳酸氢铵、碳酸钙等，金属盐溶液还可以选用硝酸铈、氯化锌、硫酸锰、硝酸铁、硝酸镧、硝酸镨等，均在本发明保护范围内。

实施例4

如图2所示，一种用于实施上述方法的合成系统，所述合成系统包括喷雾装置、热解装置1和收集装置2，所述喷雾装置由喷雾容器3、设在喷雾容器3内的超声波雾化器4、以及连接于喷雾容器3的氮气罐5组成，所述收集装置2通过管道6与喷雾容器3连接，所述热解装置1选用管式炉，管式炉设于收集装置2与喷雾容器3之间的连接管道6上。

该合成系统在工作时，先将配制好的前驱液装入喷雾容器3内，启动超声波雾化器4，将前驱液超声雾化成小液滴，同时打开氮气罐5的排气阀，氮气以一定速率通入喷雾容器3内，氮气会携带雾化液滴经管道6进入热解装置1内，热解装置1进行加热热解，形成催化剂材料前体，最后由收集装置2降温并收集。

实施例5

一种由上述方法制得的金属掺杂多孔碳基可见光催化剂在染料催化降解中的应用，所述染料为甲基橙、亚甲基蓝或刚果红等，当然也可应用于降解其他有机污染物。

为了验证本发明制得催化剂材料的催化降解效率，进行甲基橙的光催化降解对比试验如下：

①将实施例2制得的催化剂样品、二氧化钛和甲基橙分别配置成0.01g/L的分散液a、b和c；

②取a、b分散液各5ml与5ml c溶液混合为样品d和e；

③将d、e溶液避光超声60min达到吸附平衡；

④60min后暴露于150000Lx的日光下；

⑤每隔一段时间取样离心取上清过滤后测量甲基橙的浓度。

根据所测量甲基橙的浓度制成降解曲线如图3所示，实验结果显示实施例2制得的催化剂材料(即图中的“样品”曲线)比二氧化钛有着更好的光催化效果，主要表现为实施例2制得的催化剂材料能更快地降解甲基橙，达到30％降解率时所需时间比二氧化钛短约200min，且最终降解率比二氧化钛提升32％。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。