一種氮摻雜二氧化鈦異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備方法及應(yīng)用技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種有可見(jiàn)光催化性能的氮摻雜二氧化鈦異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備方法及其應(yīng)用，屬于光催化材料技術(shù)領(lǐng)域。該方法包括如下步驟：a.將分析純的鈦酸酯或四氯化鈦與分析純的異丙醇配成混合溶液，持續(xù)攪拌下，將混合溶液滴加至蒸餾水中，攪拌6～24h，得二氧化鈦溶膠；b.二氧化鈦溶膠與40～80wt％的水合肼或60～80％的乙二胺水溶液混合，然后超聲分散，再轉(zhuǎn)移至密閉、耐腐蝕的反應(yīng)釜中，保溫反應(yīng)36～72h，得固體產(chǎn)物；c.經(jīng)水洗、抽濾，再經(jīng)干燥6～12h，即得氮摻雜二氧化鈦異質(zhì)結(jié)構(gòu)的粉體。本發(fā)明專利技術(shù)所述制備技術(shù)簡(jiǎn)單，能耗小，制得的氮摻雜二氧化鈦異質(zhì)結(jié)構(gòu)光催化降解有機(jī)染料效率高。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種有可見(jiàn)光催化性能的氮摻雜二氧化鈦異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備方法及其應(yīng)用，屬于光催化材料

技術(shù)介紹
二氧化鈦(TiO2)具有高催化活性、化學(xué)穩(wěn)定性、無(wú)毒及價(jià)廉易得等特點(diǎn)，在光催化、光電化學(xué)、太陽(yáng)能電池、氣敏傳感和醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用。但是，由于 TiO2帶隙較寬(3.0 3. 2eV)，僅能吸收占太陽(yáng)光譜能量較少一部分(5%)的紫外(UV) 光(λ < 380nm)，從而限制了其在占太陽(yáng)光譜能量較大一部分(45%)的可見(jiàn)光照射場(chǎng)合中的應(yīng)用。因此，如何拓寬TiO2的光響應(yīng)范圍，使之能夠在可見(jiàn)光甚至是室內(nèi)照明光照射場(chǎng)合得到有效利用(尤其是在光催化領(lǐng)域)，科研工作者做了大量艱苦、細(xì)致的工作。迄今為止，人們發(fā)展了多種方法，用以將TiO2的起始光吸收從UV光區(qū)延伸至可見(jiàn)光區(qū)；譬如，自摻雜法(自摻雜法是在缺氧或還原氣氛下，將TW2高溫?zé)崽幚矶玫降囊活惢瘜W(xué)式中缺氧的非化學(xué)計(jì)量比的氧化鈦，TiOx(χ <幻)、染料敏化法、金屬或非金屬元素或物種摻雜法， 以及金屬和/或非金屬元素或物種共摻雜的方法(如公開(kāi)號(hào)為CN14M710A，CN1506154A, CN1555913A, CN1565721A, CN1583250A, CN1621147A, CN1712128A,CN1775359A,CN1850618A, CN1903436A, CN1935668A, CN1974014A, CN101157021A, CN101214999A, CN10129373A 的中國(guó)專利)。早在1986年，S. Mto通過(guò)焙燒一種商品羥基氧化鈦材料，獲得了一種顏色發(fā)(Sato, S. Photocatalytic activity of N0x_doped TiO2 in the visible light region . Chem. Phys. Lett. 1986,123 (1-2) :126-128.)；并證實(shí)該種摻氮氧化鈦在可見(jiàn)光區(qū)域G34nm)對(duì)一氧化碳和乙烷的氧化具有較高的光催化效率；但是， 這一工作在當(dāng)時(shí)科研界并沒(méi)有引起廣泛關(guān)注。直至2001年，R. Asahi等人在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇有影響力的文章(Asahi, R. ；Morikawa, T. ；Ohwaki, T. ；Aoki, K. ；Taga, Y.Visible-light photocatalysis in nitrogen-doped titanium oxides. Science 2001,293 :269-271.)該文通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，報(bào)道了非金屬元素 (C，N, F，P，S)特別是N元素?fù)诫s的Ti02_xNx薄膜，在可見(jiàn)光(λ < 500nm)液相催化降解亞甲基藍(lán)和氣相催化分解乙醛的實(shí)驗(yàn)中，具有較高的光催化活性，作者將摻氮氧化鈦在可見(jiàn)光下的催化活性歸因于N元素取代了 TW2中的晶格0，引起N2p軌道和02p軌道的重疊，使 TiO2禁帶變窄造成的。雖然，有關(guān)N摻雜氧化鈦可見(jiàn)光催化活性的歸屬，到目前為止仍有爭(zhēng)議；但自那以后，非金屬物種、特別是氮元素的摻雜，在有關(guān)半導(dǎo)體光催化的理論和實(shí)驗(yàn)科學(xué)研究領(lǐng)域，引起了科研工作者的極大興趣。雖然人們普遍認(rèn)為摻雜能夠修飾T^2的能帶，使之對(duì)可見(jiàn)光具有響應(yīng)性；但是摻雜在Tih禁帶中引入的中間態(tài)(摻雜能級(jí)、Ti3+3d)也能使TW2的熱穩(wěn)定性、UV光催化活性以及氧化還原電勢(shì)降低，原因是摻雜、特別是高濃度摻雜所引入的中間態(tài)能夠成為光生電子禾口空穴的復(fù)合中心(Irie H. ；Watanabe, Y. ；Hashimoto, K. Nitrogen-concentrationdependence on photocatalytic activity of Ti02_xNx powders . J. Phys. Chem. B 2003, 107 :5483-5486.)。另一種拓寬TW2光響應(yīng)性的方法是將其與另外一種窄禁帶半導(dǎo)體復(fù)合，該窄禁帶半導(dǎo)體充當(dāng)TiO2可見(jiàn)光敏化劑的作用，能夠充分吸收可見(jiàn)光，產(chǎn)生光生電子和空穴；光生電子和空穴分別向TiO2的導(dǎo)帶和價(jià)帶轉(zhuǎn)移，有利于光生電荷分離，提高了復(fù)合光催化劑(或異質(zhì)結(jié)構(gòu))的光催化效果(Shankar, K. ；Basham, J. I. ；Allam, N. K. ；Varghese, 0. K. ；Mor, G K. ；Feng, X. ；Paulose, M. ；Seabold, J. A. ；Choi, K. S. ；Grimes, C. A. Recent advances in the use of TiO2 nanotube and nanowire arrays for oxidative photoelectrochemistry J. Phys. Chem. C2009,113 :6327-6359.)；但該類窄禁帶半導(dǎo)體的光化學(xué)穩(wěn)定性不高，存在著UV光引發(fā)的光腐蝕問(wèn)題，從而限制了其在太陽(yáng)光下的重復(fù)利用。近來(lái)，8.6&0等人根據(jù)半導(dǎo)體能帶理論設(shè)計(jì)了一種新型的!^1103/1102可見(jiàn)光(λ > 420nm)復(fù)合催化劑，該種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的催化劑利用窄禁帶半導(dǎo)體!^eTiO3吸收可見(jiàn)光，產(chǎn)生的光生空穴向TW2價(jià)帶轉(zhuǎn)移而非光生電子向TiO2導(dǎo)電轉(zhuǎn)移的特點(diǎn)，保證了 ！^eTiO3不被光生空穴氧化而腐蝕，提高了該復(fù)合催化劑在模擬太陽(yáng)光下的重復(fù)利用(feo，B. ；Kim, Y. J. ；Chakraborty, Α. K. ；Lee, W. I. Efficient decomposition of organic compounds with FeTi03/Ti02 heterojunction under visible light irradiationAppl. Catal. B :Environ. 2008,83 :202-207.)；但該種催化劑在模擬太陽(yáng)光下的光催化效率仍低于商品 TiO2Degussa P25。鑒于TW2具有良好的光化學(xué)穩(wěn)定性，近年來(lái)，有關(guān)不同晶型TiA形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)提高其光催化活性的研究引起了科研工作者的極大興趣(Yu，J.C. ；Yu, J. ；Ho, W. ；Zhang, L. Zhang,Preparation of highly photocatalytic active nanosized TiO2 particles via ultrasonic irradiationChem. Commun. 2001,1942-1943 ；Kandiel,T. A. ；Feldhoff,A.； Robben, L. ；Dillert, R. ；Bahnemann, D. W. Tailored titanium dioxide nanomaterials anatase nanoparticles and brookite nanorods as highly active photocatalysts Chem. Mater. 2010,22 :2050-2060 ；Etacheri, V. ；Seery, Μ. K. ；Hinder, S本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
１．一種氮摻雜二氧化鈦異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：ａ．將分析純的鈦酸酯或四氯化鈦與分析純的異丙醇按體積比１∶（１５～２５）配成混合溶液，３００～５００ｒ／ｍｉｎ持續(xù)攪拌下，將混合溶液滴加至ｐＨ＜２的１～５℃的蒸餾水中，保溫、持續(xù)攪拌６～２４ｈ，得二氧化鈦溶膠；ｂ．將步驟ａ制得的二氧化鈦溶膠與４０～８０ｗｔ％的水合肼或６０～８０％的乙二胺水溶液混合，然后超聲分散２～１０ｍｉｎ，再轉(zhuǎn)移至密閉、耐腐蝕的反應(yīng)釜中，使反應(yīng)釜的填充率為７０～８０％，于１８０～２２０℃溫度范圍內(nèi)保溫反應(yīng)３６～７２ｈ，得固體產(chǎn)物；ｃ．將步驟ｂ制得的固體產(chǎn)物經(jīng)水洗、抽濾，再經(jīng)４０～１００℃干燥６～１２ｈ，即得氮摻雜二氧化鈦異質(zhì)結(jié)構(gòu)的粉體。

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：蓋利剛，段秀全，姜海輝，周國(guó)偉，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：山東輕工業(yè)學(xué)院，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：88