本發(fā)明涉及光催化的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光催化材料。本發(fā)明同時還涉及一種制備該光催化材料的方法。

背景技術(shù)：

近年來，半導(dǎo)體光催化劑在環(huán)境污染治理領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用，二氧化鈦作為光催化劑的代表，是目前應(yīng)用較為廣泛的光催化劑。理論上，二氧化鈦具有光催化活性高，穩(wěn)定性好，無毒性，成本低等優(yōu)點。另外，二氧化鈦的光催化反應(yīng)在常溫常壓條件下即可進行。

但是，實際上，二氧化鈦光催化目前仍處于實驗室階段，在實際應(yīng)用中仍存在許多技術(shù)難點。例如：由于二氧化鈦半導(dǎo)體禁帶寬度較寬，約為3.2eV，其對應(yīng)的波長為387nm，該波長屬于紫外光區(qū)，而紫外光只占到達地球表面太陽光的3％-4％。但是，在太陽光譜中占絕大多數(shù)的為可見光部分，其能量約占45％，所以，采用二氧化才作為光催化劑使得大部分可見光未得到有效利用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種光催化材料，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題。

本發(fā)明另外提供一種制備光催化材料的方法。

本發(fā)明提供一種光催化材料，包括：二氧化鈦和摻雜在所述二氧化鈦中的鑭系元素。

可選的，所述摻雜在二氧化鈦中的鑭系元素與所述二氧化鈦的摩爾比范圍為大于等于0.0001:1，且小于等于0.03:1。

可選的，還包括石墨烯，所述石墨烯摻雜在所述二氧化鈦中。

可選的，所述光催化材料的禁帶寬度范圍為大于等于2.2eV，且小于等于2.4eV。

可選的，所述光催化劑材料具有銳鈦礦晶體結(jié)構(gòu)。

可選的，所述鑭系元素包括銪元素。

本發(fā)明另外還提供一種制備光催化材料的方法，包括：

采用鈦酸丁酯與無水乙醇混合制備第一溶液；采用去離子水、無水乙醇和冰乙酸混合制備第二溶液；

將二氧化鈦及鑭系元素加入所述第二溶液中，形成第三溶液；

將第一溶液加入所述第三溶液中，形成溶膠；

將形成的溶膠靜置、干燥、高溫煅燒，形成光催化材料。

可選的，所述將二氧化鈦及鑭系元素加入所述第二溶液中步驟后，執(zhí)行以下步驟：

向所述第二溶液中滴加石墨烯，采用磁力攪拌器攪拌；

相應(yīng)的，形成第三溶液中包括二氧化鈦、鑭系元素及石墨烯。

可選的，所述向所述第二溶液中滴加石墨烯中，所述石墨烯的體積范圍為大于等于0.2mL，且小于等于20mL。

可選的，所述采用鈦酸丁酯與無水乙醇混合制備第一溶液中，所述鈦酸丁酯與無水乙醇體積比為3:1；

所述采用去離子水、無水乙醇和冰乙酸混合制備第二溶液中，所述去離子水、無水乙醇和冰乙酸的體積比為1:1:1。

可選的，所述將二氧化鈦及鑭系元素加入所述第二溶液中步驟包括：

取預(yù)設(shè)質(zhì)量的二氧化鈦加入所述第二溶液中；

在加入有二氧化鈦的第二溶液中添加預(yù)設(shè)比例的三乙胺與氧化銪；

其中，所述氧化銪中的銪元素屬于鑭系元素。

可選的，所述預(yù)設(shè)比例的三乙胺與氧化銪中的預(yù)設(shè)比例包括：三乙胺與氧化銪的質(zhì)量比的范圍為大于等于1％，且小于等于20％。

可選的，所述將第一溶液加入所述第三溶液中，形成溶膠包括：

邊攪拌邊將第一溶液逐滴加入到所述第三溶液中；

將上述混合的溶液進行攪拌，形成均勻的溶膠。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

本發(fā)明提供一種光催化材料，該光催化材料包括：二氧化鈦以及摻雜在所述二氧化鈦中的鑭系元素。

該新型的光催化材料通過在二氧化鈦中摻雜鑭系元素，可以在一定程度上是該新型的光催化材料的禁帶寬度變窄，反應(yīng)光源就可以從紫外區(qū)域拓展到可見光的范圍，從而提高該光催化材料的光催化活性，進一步提高光催化效率。

附圖說明

圖1是本申請第一實施例提供的光催化原理的示意圖。

圖2是本申請第二實施例提供的制備光催化材料的方法的流程圖。

具體實施方式

本申請第一實施例提供一種光催化材料，該光催化材料是一種以二氧化鈦為基體，并在該基體中摻雜有鑭族元素，形成的新型的光催化材料。該新型的光催化材料具有較高的光催化活性及光催化效率，并且該新型材料的制造成本低，原料廉價易得，便于推廣應(yīng)用。

以下通過具體的實施例對該光催化材料進行介紹和說明。

本申請第一實施例提供一種光催化材料，該光催化材料包括：二氧化鈦和摻雜在所述二氧化鈦中的鑭系元素。

由于該光催化材料的基材為二氧化鈦，而二氧化鈦是一種常用的光催化劑，因此，該新型的光催化劑是在二氧化鈦的基礎(chǔ)上的改進研發(fā)。

以下對二氧化鈦具有的光催化功能的原理進行介紹，了解和掌握二氧化鈦的特性之后，才可以通過原理對該二氧化鈦光催化劑進行改進，以使得改進后的光催化材料的光催化活性更好，且光催化劑效率更高。

光催化是一種在光的照射下，自身不起變化，卻可以促進化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)。因此，光催化是利用自然界存在的光能轉(zhuǎn)換成為化學(xué)反應(yīng)所需的能量，來產(chǎn)生催化作用，使周圍的氧氣及水分子激發(fā)成極具氧化力的自由負離子。利用光催化反應(yīng)可分解大部分對人體和環(huán)境有害的有機物質(zhì)及部分無機物質(zhì)，不僅能加速反應(yīng)，還可以運用自然界的定侓，不造成資源浪費與附加污染形成。

首先對光催化原理進行介紹，圖1是本申請第一實施例提供的光催化原理的示意圖。請參照圖1，在光催化反應(yīng)中涉及能帶理論，所述能帶理論是二氧化鈦(以下可采用二氧化鈦的化學(xué)式TiO₂表示)光催化降解環(huán)境污染物的理論基礎(chǔ)。

半導(dǎo)體在基態(tài)條件下，材料中的電子處于低能級軌道。半導(dǎo)體不像金屬有著連續(xù)的電子能級，而是有著空能級區(qū)域，這一區(qū)域中沒有能級供由光激發(fā)所產(chǎn)生的電子和空穴在固體中進行復(fù)合。從充滿電子的價帶頂端到空的導(dǎo)帶的低端這一空的區(qū)域叫做帶隙。導(dǎo)帶與價帶之間的能級差稱為半導(dǎo)體的禁帶寬度(可由Eg表示)。

在基態(tài)條件下，價帶上的電子不會自發(fā)的躍遷到導(dǎo)帶上，但是，在光子能量hv>Eg(其中，h為普朗克常量，v為頻率)的光輻照半導(dǎo)體時，價帶上的電子接受光子被激發(fā)從而躍遷至導(dǎo)帶，并在價帶上留下空穴。一旦通過帶隙的激發(fā)發(fā)生，就能提供納秒級范圍內(nèi)的足夠壽命供光生電子與空穴對將電荷轉(zhuǎn)移到吸附在半導(dǎo)體表面的物種上。光生電子與空穴分別是強還原劑與強氧化劑，這些分離開的光生電子空穴對在光催化劑的表面產(chǎn)生了一個氧化還原體系，它們能和絕大多數(shù)的大多數(shù)有機物和無機物發(fā)生氧化還原反應(yīng)。

TiO₂光催化過程包括以下幾個環(huán)節(jié)：

第一環(huán)節(jié)，當(dāng)TiO₂受到能量大于禁帶寬度Eg的光照射后，被激發(fā)產(chǎn)生光生電子(e-)，光生電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶。同時留下光生空穴(h+)在價帶，產(chǎn)生了光生電子-空穴對；第二環(huán)節(jié)，光生電子和光生空穴在電場的作用下，向TiO₂表面遷移；第三環(huán)節(jié)，光生電子和光生空穴在TiO₂表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)。

其中，遷移到TiO₂表面的電子與O₂發(fā)生作用，生成HO₂·和O₂-·，遷移到TiO₂表面的空穴與吸附在其表面的H₂O或OH-發(fā)生作用，生成OH·，這些活性基團和光生空穴與有機污染物發(fā)生氧化還原反應(yīng)。

由反應(yīng)示意圖可以看出，由于光生電子和光生空穴的存在，反應(yīng)過程中產(chǎn)生了非?；顫姷摹H和·O₂-，這些都是氧化性很強的活潑自由基，幾乎可以氧化所有的有機物，使有機物氧化分解，直至完全礦化為CO₂和H₂O和其他無機小分子。而且，由于它們的氧化能力很強，使得氧化反應(yīng)一般不停留在中間步驟，不產(chǎn)生中間產(chǎn)物，不產(chǎn)生二次污染。

TiO₂的晶體結(jié)構(gòu)有銳鈦礦、金紅石和板鈦礦三種，不同晶體結(jié)構(gòu)的TiO₂性能也有差異，銳鈦礦型的TiO₂在紫外光下表現(xiàn)出優(yōu)異的光催化性能。但是，實際應(yīng)用中TiO₂存在一定的缺陷，首先TiO₂的光生電子和光生空穴壽命極短，容易復(fù)合，從而使其量子產(chǎn)率低，光催化活性不高。另外二氧化鈦銳鈦礦的禁帶寬度較寬為3.2eV，其對應(yīng)的波長為387nm屬于紫外光區(qū)，而紫外光只占到達地球表面太陽光的3％-4％，在太陽光譜中占絕大多數(shù)的可見光部分(能量約占45％)未得到有效利用。

由于二氧化鈦作為光催化劑存在上述缺陷，因此，本申請的光催化材料通過摻雜鑭系元素以降低禁帶寬度，由于新型的光催化材料的禁帶寬度變窄，根據(jù)光催化反應(yīng)滿足條件hv>Eg，禁帶寬度變窄，需要光照的能量變小，即Eg變小，相應(yīng)的需要hv就會變小。(其中hv＝hc/λ，h為普朗克常量，v為頻率，c為光速，λ為波長)可見波長越長對應(yīng)的光能量越小。自然光中，從紫外到可見，波長逐漸增加，對應(yīng)的能量逐漸減少。光波的能量hv從紫外到可見光是逐漸減小的，因此，禁帶寬度變窄，使得反應(yīng)光源可以由紫外區(qū)域拓展到可見光的范圍。

以上通過光催化反應(yīng)的原理說明了由于摻雜了鑭系元素可使得光催化反應(yīng)光源拓展到了可見光的范圍，由于太陽光中可見光占45％能量，因此，采用該光催化材料可以充分利用太陽光的能量，因此，可以提高光催化的活性及光催化的效率。

需要說明的是，在所述二氧化鈦為基材的情況下，在所述基材中摻雜一定濃度的鑭系元素，因此涉及鑭系元素的摻雜的量，鑭系元素摻雜較少時將不會有效的降低該新型材料的禁帶寬度，但是當(dāng)鑭系元素的摻雜濃度較高時，也會影響光催化劑反應(yīng)的性能，因此，需要控制所述鑭系元素在所述二氧化鈦中的含量，優(yōu)選的，所述鑭系元素與所述二氧化鈦的摩爾比范圍為大于等于0.0001:1，且小于等于0.03:1。也就是，該鑭系元素的摻雜摩爾比為0.01％至3％。

在該摻雜范圍內(nèi)，利用紫外可見分光光度計極端可獲得該新型的光催化材料進行檢測，測量該光催化材料的光透射率，再根據(jù)朗伯比爾定律，可以計算出其禁帶寬度減少到2.2eV至2.4eV范圍內(nèi)，而該禁帶寬度范圍對應(yīng)的為可見光的能量可激發(fā)光催化反應(yīng)的條件，因此，使得光催化反應(yīng)可以在可見光范圍內(nèi)有效的進行。

所述鑭系元素包括鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥，上述元素均屬于稀土元素。優(yōu)選的，在所述二氧化鈦中摻雜的鑭系元素可以是銪元素。由于該銪元素摻雜入所述二氧化鈦中使得光催化材料的光催化效果更明顯，并且銪元素更容易獲得，因此，可在二氧化鈦中摻雜上述銪元素以提高其光催化活性和效率。

另外，針對二氧化鈦光生電子和光生空穴壽命極短，容易復(fù)合，從而使其量子產(chǎn)率低，光催化活性不高的問題，可通過在該二氧化鈦中摻雜石墨烯的方式實現(xiàn)。因此，該光催化材料中還包括有石墨烯，所述石墨烯摻雜在所述二氧化鈦中。

具體的，激發(fā)電子-空穴復(fù)合概率問題是整個光催化反應(yīng)中的關(guān)鍵問題。二氧化鈦吸收一個光子的能量，價帶的電子受激發(fā)而躍遷到導(dǎo)帶。由化學(xué)動力學(xué)理論可以得出，處于高能級的激發(fā)電子不穩(wěn)定，激發(fā)電子-空穴復(fù)合的動力學(xué)常數(shù)遠大于激發(fā)電子-空穴分離的動力學(xué)常數(shù)，所以激發(fā)電子與空穴會自發(fā)的發(fā)生復(fù)合反應(yīng)。隨著激發(fā)電子與空穴復(fù)合反應(yīng)結(jié)束，光催化過程也就終止。

由此可知，提高光催化效率的有效方法之一就是抑制激發(fā)電子-空穴的復(fù)合反應(yīng)。利用石墨烯優(yōu)良的導(dǎo)電性能，可以使激發(fā)電子迅速遷移到石墨烯片層結(jié)構(gòu)中，而不是積累在催化材料表面，這就降低了激發(fā)電子與空穴復(fù)合的概率，從而提高了半導(dǎo)體材料光催化效率。同時利用石墨烯巨大的比表面積吸附污染物，再通過位于石墨烯片層結(jié)構(gòu)表面的激發(fā)電子和空穴的氧化產(chǎn)物-自由基處理污染物。由此可見，石墨烯不僅起到吸附污染物的作用，而且還可以為光催化反應(yīng)提供反應(yīng)位。

本申請?zhí)峁┑墓獯呋牧辖Y(jié)合二氧化鈦、石墨烯以及鑭系元素的特性，形成的光催化材料具有較大的比表面積與良好的光吸收特性。同時，該光催化材料可以克服粉末狀TiO₂光催化劑分離難、用量大、光活性較低、壽命短等缺點，同時因其具有大的比表面積，提高了光催化效率。并且該光催化材料制造成本低，原料廉價易得，便于推廣和應(yīng)用。

另外，該光催化材料可利用溶膠方法以及高溫煅燒制備完成，因此，形成的該光催化劑材料具有銳鈦礦晶體結(jié)構(gòu)。由于銳鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的光催化性能較好，而該新型光催化材料的銳鈦礦百分比高，對應(yīng)的光催化性能好，且光催化效率高。

所述光催化材料可以通過改變石墨烯的添加量、摻雜的鑭系元素元素的配比、pH和熱處理溫度、時間等，從而獲得具有介孔結(jié)構(gòu)、比表面積大和熱穩(wěn)定性優(yōu)異的材料特點，具有較大的比表面積和孔容以及良好的光吸收特性，從而提高了光催化活性。較大的比表面積可以為光催化反應(yīng)提供反應(yīng)位，會使得反應(yīng)過程中污染物更多的被吸附在光催化材料表面，有利于對污染物的降解。并且該光催化材料易于分離回收，從而減少對環(huán)境的二次污染。

總之，該新型的光催化材料通過在二氧化鈦中摻雜鑭系元素，可以在一定程度上是該新型的光催化材料的禁帶寬度變窄，反應(yīng)光源就可以從紫外區(qū)域拓展到可見光的范圍，從而提高該光催化材料的光催化活性，進一步提高光催化效率。

本申請第二實施例還提供一種制備光催化材料的方法，該制備方法最終可制備出上述光催化材料，圖2是本申請第二實施例提供的制備光催化材料的方法的流程圖。請參照圖2，該方法包括以下步驟：

步驟S201，采用鈦酸丁酯與無水乙醇混合制備第一溶液；采用去離子水、無水乙醇和冰乙酸混合制備第二溶液。

具體的，取鈦酸丁酯與無水乙醇按3:1充分混勻后得到第一溶液，將其置于分液漏斗中；將去離子水、無水乙醇與冰乙酸按照1:1:1充分混合后成為第二溶液。

因此，所述采用鈦酸丁酯與無水乙醇混合制備第一溶液中，所述鈦酸丁酯與無水乙醇體積比為3:1；所述采用去離子水、無水乙醇和冰乙酸混合制備第二溶液中，所述去離子水、無水乙醇和冰乙酸的體積比為1:1:1。

請繼續(xù)參照圖2，步驟S202，將二氧化鈦及鑭系元素加入所述第二溶液中，形成第三溶液。

所述將二氧化鈦及鑭系元素加入所述第二溶液中步驟包括：取預(yù)設(shè)質(zhì)量的二氧化鈦加入所述第二溶液中；在加入有二氧化鈦的第二溶液中添加預(yù)設(shè)比例的三乙胺與氧化銪。其中，所述氧化銪中的銪元素屬于鑭系元素。

具體的，稱取一定量的TiO₂加入到第二溶液中，移取質(zhì)量比范圍為1％至20％的三乙胺和氧化銪加入第二溶液中攪拌至完全混合均勻，形成的溶液稱為第三溶液。

另外，為了使制備出的光催化材料的光催化效率和活性更好，可以在第二溶液中除了加入氧化銪還可以加入石墨烯，具體操作方式如下：

優(yōu)選的，所述將二氧化鈦及鑭系元素加入所述第二溶液中步驟后，執(zhí)行以下步驟：向所述第二溶液中滴加石墨烯，采用磁力攪拌器攪拌，并混合均勻。相應(yīng)的，形成第三溶液中包括二氧化鈦、鑭系元素及石墨烯。

所述向所述第二溶液中滴加石墨烯中，所述石墨烯的體積范圍為大于等于0.2mL，且小于等于20mL。

請繼續(xù)參照圖2，步驟S203，將第一溶液加入所述第三溶液中，形成溶膠。

該步驟包括：邊攪拌邊將第一溶液逐滴加入到所述第三溶液中；將上述混合的溶液進行攪拌，形成均勻的溶膠。

請繼續(xù)參照圖2，步驟S204，將形成的溶膠靜置、干燥、高溫煅燒，形成光催化材料。

將形成的溶膠靜置一段時間后，將材料放入真空干燥箱中以一定溫度與時間烘干，再將干燥后的材料用馬弗爐進行高溫煅燒，最終形成光催化材料。

采用本申請第二實施例提供的該制備方法形成的該光催化劑材料具有銳鈦礦晶體結(jié)構(gòu)。由于銳鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的光催化性能較好，而該新型光催化材料的銳鈦礦百分比高，對應(yīng)的光催化性能好，且光催化效率高。

所述光催化材料可以通過改變石墨烯的添加量、摻雜的鑭系元素元素的配比、pH和熱處理溫度、時間等，從而獲得具有介孔結(jié)構(gòu)、比表面積大和熱穩(wěn)定性優(yōu)異的材料特點，具有較大的比表面積和孔容以及良好的光吸收特性，從而提高了光催化活性。較大的比表面積可以為光催化反應(yīng)提供反應(yīng)位，會使得反應(yīng)過程中污染物更多的被吸附在光催化材料表面，有利于對污染物的降解。并且該光催化材料易于分離回收，從而減少對環(huán)境的二次污染。

本發(fā)明雖然以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以做出可能的變動和修改，因此本發(fā)明的保護范圍應(yīng)當(dāng)以本發(fā)明權(quán)利要求所界定的范圍為準(zhǔn)。