一种银/钛酸钡光催化剂的制备方法及应用

本发明属于有机废水处理，尤其涉及一种银/钛酸钡光催化剂的制备方法及应用。

背景技术：

1、工业和经济的快速发展，导致各种各样的环境污染问题也随之而来，特别是工业或医药废水的污染更是不能忽视。例如，一些有机染料(刚果红、罗丹明b或结晶紫等)和抗生素(土霉素、四环素或诺氟沙星等)如不进行有效处理直接排放会对生态和人体健康造成严重威胁。因此，探究新颖的材料或方法来处理各种废水是科研工作者一直探究的热点。

2、目前废水处理的方法主要有：生物法、物理法和化学法。对于生物法和物理法在处理难降解的染料(如偶氮染料)或者抗生素时往往效率低下，同时温度或ph对其影响较大，以至于达不到理想的去除效果。而研究发现化学法中的高级氧化技术是目前处理废水中难降解染料或抗生素最有潜力的处理手段之一，如光催化、臭氧氧化、过硫酸盐氧化、声催化等。其中，光催化技术是经济有效的方法，利用半导体光催化材料吸收太阳光来产生电子-空穴对，从而与外界发生氧化-还原反应达到染料分子的分解。虽然光催化具有非常多的优点，但是往往半导体光催化材料电子-空穴对的快速复合导致载流子的低迁移率仍是限制光催化降解效率的主要阻碍。因此，许多研究者都不断探索新型的催化材料，来改善光催化中电子-空穴对快速复合的问题。

3、近年来，各种各样的光催化材料不断被发现，为了优化光的利用和电荷分离，人们提出了多种策略来实现有效的电荷分离。人们提出了一种新的概念，利用半导体催化剂的铁电、热释电和压电效应产生的内置电场来增强光生载流子的分离与输送。在这些新兴的催化作用体系中，压电催化剂对有机物的优良降解性能，引发了人们对利用压电-光催化耦合效应来修复环境污染的极大关注。特别是铁电钛酸钡(batio3)纳米材料，由于其特殊的物理性质，且极化强度、压电系数较高，在光催化方面有着巨大的潜力，用于降解有机污染物和制氢。尽管铁电材料batio3具有良好的电荷载流子分离效应和染料降解性能，但由于其禁带宽度大、载流子产生少、光子吸收低，其光催化活性较差等因素极大地限制了其在光催化方向的应用。

4、此外，贵金属等离子体因其对可见光具有很强的吸收能力而引起了人们的特别关注，特别是银等离子体的共振效应在可见光区域表现出高效的光催化活性。将贵金属与铁电材料结合，在超声辅助下进行光催化降解有机染料可能达到优异的效果。然而，目前关于贵金属银和batio3复合进行光催化的研究还是较少，且合成方法往往复杂，且降解目标有机染料单一。

5、因此，针对以上现状，迫切需要开发一种简单快速的方法合成贵金属修饰的钛酸钡光催化材料并将其应用于降解有机染料和抗生素，以克服当前实际应用中的不足。

技术实现思路

1、本发明实施例的目的在于提供一种银/钛酸钡光催化剂的制备方法及应用，即利用水热法合成钛酸钡纳米催化剂，随后通过简单的搅拌在碱性的乙醇溶液内合成银/钛酸钡材料，以超声波提供机械应力，氙灯提供光源，探究压电-光效应对水中不同有机染料和抗生素的降解作用，从而获得有效可行的降解有机染料和抗生素的方法，以此解决上述背景中提到的问题。

2、本发明实施例是这样实现的，一种银/钛酸钡光催化剂的制备方法，包括以下步骤：

3、1)凝胶溶胶/水热法制备钛酸钡材料

4、将乙酸钡加入到盛放有一定体积乙醇乙酸混合溶液的烧杯中，随后采用恒温磁力搅拌器在一定温度下搅拌使其溶解，后冷却到室温；

5、然后，向烧杯中先加入钛酸四丁酯，同时加入一定量的去离子水，搅拌使钛酸四丁酯水解，并在一定温度下处理该溶液得到凝胶；

6、将获得的凝胶干燥后加入到一定摩尔浓度的碱性溶液中，随后在高压反应釜内升温至一定温度，恒温处理一段时间；

7、最后，自然冷却到室温，洗涤至中性，干燥，得到钛酸钡纳米材料；

8、2)常温下制备银/钛酸钡光催化剂

9、将步骤1)获得的钛酸钡纳米材料加入到一定体积含硝酸银的乙醇溶液中，随后滴加一定量的碱性溶液，室温搅拌一段时间；

10、然后，洗涤至中性，干燥，得到银/钛酸钡光催化剂。

11、进一步的技术方案，在步骤1)中，乙醇乙酸混合溶液中，乙醇和乙酸的体积比为1：1～4，乙醇和水的体积比为1：0.5～1；在温度60～120℃下搅拌使乙酸钡溶解；搅拌水解钛酸四丁酯的时间为30mi n；在温度40～60℃处理水解后的溶液得到凝胶。

12、进一步的技术方案，在步骤1)中，采用水热法制备钛酸钡材料，其中碱性溶液为氢氧化钾和氢氧化钠中的一种或两种组合，碱性溶液的摩尔浓度为2～7mo l/l；在高压反应釜内的处理温度为120～200℃，恒温处理的时间为2h；所述洗涤是指将产物用去离子水和乙醇洗涤至中性；洗涤至中性后，在真空干燥箱中进行干燥。

13、进一步的技术方案，在步骤2)中，硝酸银和钛酸钡的质量比为0～1.6wt.％；碱性溶液为氢氧化钾和氢氧化钠中的一种或两种组合，碱性溶液的摩尔浓度为0.1～0.4mo l/l，碱性溶液的体积为0.5～4ml；室温搅拌的时间为0.5h。

14、进一步的技术方案，在步骤2)中，所述洗涤是指将产物用去离子水和乙醇洗涤至中性；洗涤至中性后，在温度50～80℃下进行真空干燥，得到银/钛酸钡光催化剂。

15、进一步的技术方案，在步骤2)中，洗涤至中性后，在温度70℃下进行真空干燥，得到银/钛酸钡光催化剂。

16、本发明实施例的另一目的在于，一种银/钛酸钡光催化剂的应用，所述的银/钛酸钡光催化剂通过上述银/钛酸钡光催化剂的制备方法制备得到，所述的应用为银/钛酸钡光催化剂在高效降解水中有机染料和抗生素中的应用，包括以下步骤：

17、a)将一定质量的银/钛酸钡光催化剂加入到一定浓度的染料或抗生素中，并进行搅拌；

18、b)随后放入超声波内进行超声光催化实验，每隔一定时间取出固定溶液，离心分离后将获得的上层澄清液测其吸光度，计算其去除率。

19、进一步的技术方案，步骤a)中，搅拌的时间为30mi n；银/钛酸钡光催化剂的用量为0～4g/l；染料或抗生素为甲基橙、亚甲基蓝、刚果红、罗丹明b、酸性格兰k、结晶紫、中性红、诺氟沙星、孔雀石绿、盐酸四环素和土霉素中的一种或多种组合，染料或抗生素的浓度为10～100mg/l。

20、进一步的技术方案，在步骤b)中，在恒温条件下运用80khz 50w的超声波做振动源和xe灯(300w)做光源进行光催化实验，每隔一段时间取3.5ml溶液。

21、进一步的技术方案，在步骤b)中，在测量吸光度时，光照强度为30～100mw/cm2。

22、本发明实施例提供的一种银/钛酸钡光催化剂的制备方法及应用，有益效果如下：

23、1)通过简单的室温水热搅拌法制备了不同银含量的银/钛酸钡纳米材料，即钛酸钡表面负载银纳米颗粒，为类球形结构；

24、2)将制备的银/钛酸钡纳米材料用作降解水中的有机染料和抗生素，并探究超声光条件下的压电-光催化效应，发现：一方面银的含量明显影响其催化效果；另一方面超声光协助下能够明显改善银/钛酸钡的催化降解效果，这是由于银纳米粒子的表面等离子体共振赋予了催化剂在可见光区域的吸收；钛酸钡在超声条件下形变产生的压电场可以进一步促进等离子共振体载流子的分离。两者协同促进氧化自由基的形成，从而加速有机染料的降解。