CN114749169B - 一种热电基光催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种热电基光催化剂及其制备方法和应用，包括热电基底和热电制冷材料，热电基底包括负载区域和非负载区域，负载区域上负载有光催化剂，所述热电基底的材质为热电材料；使用时，将热电基底的负载区域浸入含有机污染物的溶液中，使所述热电制冷材料的热端与热电基底的非负载区域接触并给热电制冷材料通电，光照进行光催化降解反应。本发明将热电材料与光催化材料结合起来，使用时通过对热电基底顶部的热电制冷材料通电，加热热电基底上部分，与下部分形成温差，利用热电材料产生的电场，促进光催化材料中光生载流子的分离，加快催化反应中的氧化还原速度，提升光催化剂的降解性能。
Description
技术领域
本发明涉及光催化技术领域，具体涉及一种热电基光催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
自新世纪以来，环境污染和能源短缺逐渐成为人类发展所面临的两大主要难题，而光催化材料可以很好地解决这两大问题，如光催化二氧化碳还原得到碳氧化合物。故光催化是目前该领域国内外研究的热点之一。
然而，光催化剂对光线的利用不足并且严重依赖光的强度，在可见光照不强的环境下，光催化剂的降解性能受到极大影响。
发明内容
基于上述存在的技术问题，本发明提供一种热电基光催化剂及其制备方法和应用，可以显著提高光催化剂降解性能，满足弱光环境下光催化剂降解污染物的需求。
本发明通过以下技术方案实现：
一种热电基光催化剂，包括热电基底和热电制冷材料，热电基底包括负载区域和非负载区域，负载区域上负载有光催化剂，所述热电基底的材质为热电材料；使用时，所述热电制冷材料的热端与热电基底的非负载区域接触。
优选的，所述热电材料为各向同性或各向异性的热电材料。
优选的，所述光催化剂为SiO2@TiO2。
优选的，还包括塑料片，若干个热电基底穿设在塑料片上；各热电基底位于塑料片同一侧的部分为负载区域，位于塑料片另一侧的部分为非负载区域。
优选的，热电基底为棒状结构。
所述的热电基光催化剂的制备方法，将光催化剂分散在溶剂中，得到光催化剂溶液，将热电基底的负载区域浸泡于光催化剂溶液中，光催化剂负载在热电基底的负载区域。
优选的，具体包括：
S1，取若干个棒状的热电基底和塑料片；塑料片上加工出与热电基底个数一致的圆孔，每个圆孔中插入一热电基底，将热电基底焊接在塑料片上；
S2，将光催化剂分散在溶剂中，得到光催化剂溶液；
S3，将塑料片水平布置，并将位于塑料片下方的热电基底浸泡于光催化剂溶液中，光催化剂负载在热电基底的负载区域。
所述的热电基光催化剂在光催化降解有机污染物中的应用。
优选的，将热电基底的负载区域浸入含有机污染物的溶液中，使所述热电制冷材料的热端与热电基底的非负载区域接触并给热电制冷材料通电，光照进行光催化降解反应。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明将光催化剂负载在由具有横向热电效应的热电材料制成的热电基底上，将热电材料与光催化材料结合起来，使用时通过对热电基底顶部的热电制冷材料通电，加热热电基底上部分，与下部分形成温差，利用热电材料产生的电场，促进光催化材料中光生载流子的分离，加快催化反应中的氧化还原速度，提升光催化剂的降解性能。本发明测试了热电基光催化剂对有机污染物的降解率，结果显示，热电基底可以显著提升光催化剂的降解性能，解决了目前大部分光催化剂在暗光环境下降解效率低的问题，可应用于涂料及水体净化等领域。
进一步的，本发明中多个直立棒状结构的热电基光催化剂(如图2所示)，极大的扩大了光催化剂与液体的接触面积，为解决液体污染提供了一种更有效的装置结构。
本发明采用垂直自组装法，将光催化剂负载在热电基底上，制备方法简单，生产过程无污染。
本发明的热电基光催化剂对有机污染物具有很好的降解性能，可用于水体净化领域。
附图说明
图1是本发明光催化剂负载在热电基底上的示意图。
图2是本发明热电基光催化剂的示意图。
图3是本发明热电基光催化剂浸入罗丹明B溶液中、顶部放置热电制冷材料的示意图。
图4是本发明光催化降解反应采用的光催化反应装置示意图。
图5是实施例1中以SnSe为基底和对比例1的SiO2@TiO2光催化剂的降解性能对比图。
图6是实施例2中以Bi2Te3为基底和对比例2的SiO2@TiO2光催化剂的降解性能对比图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明进行描述，这些描述只是进一步解释本发明的特征和优点，并非用于限制本发明的权利要求。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“硒化锡”、“SnSe”、“锑化铋”、“Bi2Te3”、“SiO2@TiO2”和“罗丹明B溶液”等材料或药品仅用于举例说明本方法中热电材料作为基底对光催化剂降解性能的提升，并非指示或暗示本方法中必须使用特定的材料或药品，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明热电基光催化剂，包括热电基底，热电基底包括负载区域和非负载区域，负载区域上负载有光催化剂，所述热电基底的材质为各向同性或各向异性的热电材料。所述热电材料优选为硒化锡或锑化铋。
本发明热电基光催化剂，还包括热电制冷材料，优选，热电制冷片，使用时，热电基底的负载区域浸入待降解溶液中，热电制冷材料的热端与热电基底的非负载区域接触。通电时，热电制冷材料的热端温度在45～80℃。
本发明热电基光催化剂，也包括塑料片，若干个热电基底穿设在塑料片上；各热电基底位于塑料片同一侧的部分为负载区域，位于塑料片另一侧的部分为非负载区域。
所述的热电基光催化剂的制备方法，将光催化剂分散在溶剂中，得到光催化剂溶液，将热电基底的负载区域浸泡于光催化剂溶液中，光催化剂负载在热电基底上，得到热电基光催化剂。
所述光催化剂优选为SiO2@TiO2，溶剂为无水乙醇，SiO2@TiO2光催化剂和无水乙醇的质量比为1：(4.5～9.5)。
实施例1
本发明利用热电基底提高光催化剂降解性能的方法，包括以下步骤：
步骤1，选取一定尺寸的热电材料硒化锡(SnSe)，切割成8个底面直径为3mm左右、高度为11mm左右的棒状热电基底；
步骤2，将步骤1得到的棒状热电基底使用抛光机打磨，使棒状热电基底底面和侧面为光滑镜面；
步骤3，选取一块塑料片层材料，切割成直径为30mm的塑料片，并在导电导热片上均匀切割出8个直径略大于3mm的圆孔；
步骤4，将8个步骤2得到的棒状热电基底依次穿过8个圆孔，上方留下约1/5的棒身高度，采用锡焊的方法将棒状热电基底焊接在步骤3得到的塑料片上，之后依次使用去离子水、乙醇、丙酮对焊接后的热电基底进行清洗；
步骤5，将1.000g SiO2@TiO2光催化剂、6.1mL无水乙醇通过超声分散的方法制成均匀溶液，采用垂直自组装法，将步骤4得到的热电基底下方3/5左右高度的棒身浸泡于由SiO2@TiO2光催化剂制成的溶液中，塑料片不与光催化剂溶液接触，60℃的烘箱中反应6小时后，SiO2@TiO2光催化剂有序在棒身表面形成非晶光子晶体结构，示意图如图1所示，取出并冷却至室温，得到负载在热电基底上的光催化剂，即热电基光催化剂；示意图如图2所示，得到的热电基光催化剂包括热电基底，热电基底包括负载区域和非负载区域，负载区域上负载有光催化剂，所述热电基底的材质为热电材料；在热电基底顶部水平放置一块热电制冷片，热端与热电基底相连；
步骤6，将罗丹明B溶液倒入底面为25mm*25mm、高度为15mm的无盖石英玻璃容器中，罗丹明B溶液约占容器容积2/3；
步骤7，将步骤5得到的热电基光催化剂置于步骤6得到的容器中，使塑料片下方的棒状热电基底浸入罗丹明B溶液中，塑料片不与罗丹明B溶液接触，并对顶部的热电制冷片通电，使热电制冷片热端温度为75℃，如图3所示，放入光催化反应器中，光照反应90min，并进行光催化剂降解效果的测定，如图4所示。
实施例2
本发明利用热电基底提高光催化剂降解性能的方法，包括以下步骤：
步骤1，选取一定尺寸的热电材料锑化铋(Bi2Te3)，切割成8个底面直径为3mm左右、高度为11mm左右的棒状热电基底；
步骤2，将步骤1得到的棒状热电基底使用抛光机打磨，使棒状热电基底底面和侧面为光滑镜面；
步骤3，选取一块塑料片层材料，切割成直径为30mm的塑料片，并在导电导热片上均匀切割出8个直径略大于3mm的圆孔；
步骤4，将8个步骤2得到的棒状热电基底依次穿过8个圆孔，上方留下约1/5的棒身高度，采用锡焊的方法将棒状热电基底焊接在步骤3得到的塑料片上，之后依次使用去离子水、乙醇、丙酮对焊接后的热电基底进行清洗；
步骤5，将0.500g SiO2@TiO2光催化剂、5.8mL无水乙醇通过超声分散的方法制成均匀溶液，采用垂直自组装法，将步骤4得到的热电基底下方3/5左右高度的棒身浸泡于由SiO2@TiO2光催化剂制成的溶液中，塑料片不与光催化剂溶液接触，60℃的烘箱中反应6小时后，SiO2@TiO2光催化剂有序在棒身表面形成非晶光子晶体结构，取出并冷却至室温，得到负载在热电基底上的光催化剂，即热电基光催化剂；得到的热电基光催化剂包括热电基底，热电基底包括负载区域和非负载区域，负载区域上负载有光催化剂，所述热电基底的材质为热电材料；在热电基底顶部水平放置一块热电制冷片，热端与热电基底相连；
步骤6，将罗丹明B溶液倒入底面为25mm*25mm、高度为15mm的无盖石英玻璃容器中，罗丹明B溶液约占容器容积2/3；
步骤7，将步骤5得到的热电基光催化剂置于步骤6得到的容器中，使塑料片下方的棒状热电基底浸入罗丹明B溶液中，塑料片不与罗丹明B溶液接触，并对顶部的热电制冷片通电，使热电制冷片热端温度为45℃，如图3所示，放入光催化反应器中，光照反应180min，并进行光催化剂降解效果的测定，如图4所示。
对比例1
同实施例1，不同之处在于，将步骤1中的热电材料替换为石英玻璃。
对比例2
同实施例2，不同之处在于，将步骤1中的热电材料替换为石英玻璃。
实施例1和对比例1的测试结果如图5所示，当热电基底SnSe存在时，SiO2@TiO2的光催化降解效率明显提升，约为纯光催化剂SiO2@TiO2的2.7倍。
实施例2和对比例2的测试结果如图6所示，当热电基底Bi2Te3存在时，SiO2@TiO2的光催化降解效率明显提升，约为纯光催化剂SiO2@TiO2的2.6倍。
Claims (7)
1.一种热电基光催化剂，其特征在于，包括热电基底和热电制冷材料，热电基底包括负载区域和非负载区域，负载区域上负载有光催化剂，所述热电基底的材质为热电材料；热电基底为棒状结构；使用时，所述热电制冷材料的热端与热电基底的非负载区域接触，通过对热电基底顶部的热电制冷材料通电，加热热电基底上部分，热电基底上部分与下部分形成温差，利用热电材料产生的电场，促进光催化材料中光生载流子的分离。
2.根据权利要求1所述的热电基光催化剂，其特征在于，所述热电材料为各向同性或各向异性的热电材料。
3.根据权利要求1所述的热电基光催化剂，其特征在于，还包括塑料片，若干个热电基底穿设在塑料片上；各热电基底位于塑料片同一侧的部分为负载区域，位于塑料片另一侧的部分为非负载区域。
4.权利要求1-3任一项所述的热电基光催化剂的制备方法，其特征在于，将光催化剂分散在溶剂中，得到光催化剂溶液，将热电基底的负载区域浸泡于光催化剂溶液中，光催化剂负载在热电基底的负载区域。
5.根据权利要求4所述的热电基光催化剂的制备方法，其特征在于，具体包括：
S1，取若干个棒状的热电基底和塑料片；塑料片上加工出与热电基底个数一致的圆孔，每个圆孔中插入一热电基底，将热电基底焊接在塑料片上；
S2，将光催化剂分散在溶剂中，得到光催化剂溶液；
S3，将塑料片水平布置，并将位于塑料片下方的热电基底浸泡于光催化剂溶液中，光催化剂负载在热电基底的负载区域。
6.权利要求1-3任一项所述的热电基光催化剂在光催化降解有机污染物中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，将热电基底的负载区域浸入含有机污染物的溶液中，使所述热电制冷材料的热端与热电基底的非负载区域接触并给热电制冷材料通电，光照进行光催化降解反应。
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