本技术介绍了一种高固含量、高催化效率的TiO2/BN水溶胶制备方法及其应用。该技术采用机械球磨法与液相剥离法相结合,实现了低成本、大规模生产高固含量TiO2/BN水溶胶。
背景技术
近年来,随着工业化进程的加快,有色染料的广泛应用使其对环境和人体健康的危害日益凸显。这些染料在生产和使用过程中,可释放出多种有毒有害物质,导致水源污染和空气质量下降。光催化技术作为一种新兴的环境治理手段,展现出良好的前景。光催化剂在光照条件下能够有效降解有色染料,将其转化为无害物质。
二氧化钛(TiO2
)具有光催化活性高、成本低、环境友好等特点,是目前最高效的半导体光催化剂之一。然而,二氧化钛的实际应用受到其固有缺陷的限制,如光吸收范围有限、电子-空穴容易复合、表面活性位点不足等。近年来,为提高TiO2
对可见光的吸收,研究者们采用铋(Bi)掺杂及氮(N)掺杂等方法,合成了新的TiO2
基复合材料,这些材料由于较低的能带隙,能够有效吸收可见光,提高了光催化反应效率(Li et al.,2020)。构建TiO2
与其他半导体的异质结能够有效抑制电子与空穴的复合,提高量子产率。例如,TiO2
与氮化镓(GaN)形成的异质结显示出更优的光催化性能和稳定性(Zhang et al.,2021)。此外,通过表面改性技术,如金属/非金属负载与纳米结构的引入,研究者们增加了TiO2
的表面活性位点,提高了反应物的吸附能力,显著提升了TiO2
在降解有机污染物方面的催化活性(Chenet al.,2023)。
氮化硼(BN)是一种耐高温、耐磨损、耐腐蚀、导热性能好的陶瓷材料,广泛应用于高温工程、电子、航空航天等领域;由于其具有二维片状结构,具有较高的比表面积与较好的吸附能力,常被用作催化剂的载体,但其对可见光不响应。TiO2
与BN复合后形成界面,且电子通过界面从TiO2
转移到BN上,通过构建内建电场的方式实现光生电子-空穴对的快速分离。然而由于普通BN粒度过大,表面易于吸附氧气和水分,其表面活性降低,与溶剂之间的相互作用力降低,导致在溶剂中分散不良,因此直接将氮化硼与TiO2
混合无法提高光催化性能。
近年来,BN的剥离手段主要包括机械剥离、化学剥离、液相剥离等方法。机械剥离通常通过物理手段如胶带剥离来获取单层或少层BN;化学剥离利用化学溶剂降低层间结合力实现剥离;液相剥离通过将BN粉末分散在液体中,结合超声波处理或高速搅拌来促进层间分离,形成BN水溶胶。机械剥离效率低且难以精确控制剥离层数,同时可能对材料造成损伤;化学功能化剥离法则需要注意使用化学药品时的规范操作,并需要对废料处理;液相剥离则面临分散性不足、溶剂选择以及成本较高的问题。因此,现有的剥离技术在获取高固含量和优异分散性的BN水溶胶方面,面临严峻挑战,亟需开发一种高效且可控的BN剥离方法,以增强BN水溶胶的固体含量和分散性能,提高光催化剂的催化性能。
综上,亟需开发一种新型TiO2
/BN复合光催化剂,通过优化BN的剥离技术,提高其在水相中的分散性,从而增强TiO2
的可见光吸收和光生电子-空穴对的分离效率。这种复合材料有望显著提高光催化反应的活性与稳定性,使其在有机污染物降解等应用中展现更优异的表现。
实现思路