一种球状氧化钛/二氧化锡光电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种球状氧化钛/二氧化锡光电极及其制备方法和应用，先配置TiO

A spherical titania / two tin oxide electrode and its preparation method and Application

The invention provides a spherical titanium oxide / tin oxide electrode two and a preparation method and application to configure TiO

【技术实现步骤摘要】
一种球状氧化钛/二氧化锡光电极及其制备方法和应用
本专利技术属于功能材料领域，具体涉及一种分子识别吸附的层层自组装技术制备球状氧化钛/二氧化锡光电极及其制备方法和应用。
技术介绍
随着工业应用和生活需求的进一步扩大，全球化学品的种类和数量急剧增长。由于化工品的使用、排放及泄漏等，化学污染物在品种和数量上日益增多，使得化学污染已占据总环境污染的80％～90％。因而，有效地控制和治理各种化学污染是环境综合治理中的重点，开发能把各种化学污染物无害化的实用技术是环境保护的关键。光催化技术是一项用于治理化学污染的新兴环保技术，较传统的方法有成本低、效率高、无二次污染等优势。光催化技术是依靠半导体氧化物材料在光照下表面能受激活化的特性，利用光能可有效地氧化分解有机物、还原重金属离子、杀灭细菌和消除异味。由于光催化技术能利用太阳能在室温下发生反应，比较经济，光催化剂自身无毒、无害、无腐蚀性，可反复使用；能将有机污染物完全矿化成H2O和无机离子，无二次污染，所以有着传统环境治理技术无法比拟的优点，是一种具有广阔应用前景的绿色环境治理技术。TiO2由于具有价廉、无毒、氧化能力强、稳定性好等优点，其禁带宽度为3.2eV，是目前研究最多和应用最广的金属氧化物半导体光催化剂。TiO2是一种多功能材料，在光催化、光降解和新型太阳能电池等方面有着广泛的应用。同时，TiO2作为n型半导体主要是靠光生载流子(主要是光生电子)导电。SnO2是一种金红石(rutile)结构的金属半导体氧化物，空间对称性为P4/mnm。其晶格常数a为0.4731nm，c为0.31861nm。SnO2是典型的n型半导体，带隙为3.5-3.6eV。将SnO2与TiO2进行复合，不仅可以提高其光生电子和空穴的分离效果，而且会减少复合几率，从而大大提高光催化活性。目前，TiO2/SnO2光电极的制备主要有以下几种方法：溶胶-凝胶法、金属钛片的阳极氧化法、金属钛片的直接热氧化法、模板辅助合成法等。这些方法在制备薄膜方面存在着一定不足。如薄膜结构不利于光催化降解，重复性不高，环境污染大，与基板结合程度不牢固等缺点，或多或少的存在着无法兼顾“清洁、节能、高效制备光催化薄膜”这一理念。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种球状氧化钛/二氧化锡光电极及其制备方法和应用，该方法利用层层自组装技术制得氧化钛/二氧化锡光电极，实验条件要求较低，制得的氧化钛/二氧化锡光电极具有光响应特性，能够用于光催化降解有机污染物。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种球状氧化钛/二氧化锡光电极的制备方法，包括以下步骤：1)TiO2前驱液的配置：室温下，向去离子水中加入(NH4)2TiF6，搅拌至澄清，然后加入硼酸，搅拌至澄清，最后加入稀硝酸，调节pH值至1～4，并搅拌至澄清，得TiO2前驱液；其中加入的(NH4)2TiF6和硼酸的摩尔比为(1～3):(1～2)；2)SnO2/玻璃基板的功能化：将SnO2/玻璃基板洗涤干净后置于184.9nm的紫外光下照射20～40min，使SnO2/玻璃基板表面形成羟基单分子层；3)薄膜的自组装：将SnO2/玻璃基板的羟基单分子层一面悬浮于TiO2前驱液表面进行自组装吸附，利用基板表面的羟基层与TiO2前驱液中小分子[Ti(OH)6]2-中的OH进行聚合反应，异相成核自组装形成非晶态的玻璃/SnO2-O-[Ti(OH)5]-前驱薄膜，再在室温下干燥，得到玻璃/SnO2-O-[TiO3H)]-非晶薄膜；4)薄膜的层层自组装：将玻璃/SnO2-O-[TiO3H)]-非晶薄膜在184.9nm的紫外光下照射20～40min，使其表面形成羟基单分子层，然后将该羟基单分子层悬浮于TiO2前驱液表面，对TiO2前驱液中的[Ti(OH)6]2-进行自组装聚合吸附，形成玻璃/SnO2-O-[TiO3H)]--O-[TiO3H)]-非晶薄膜，再在室温下干燥；如此反复多次层层自组装直至达到所需厚度，得到非晶态玻璃/SnO2-O-TiO2复合薄膜；5)薄膜的晶化将非晶态玻璃/SnO2-O-TiO2复合薄膜放入马弗炉中，从室温升到250～550℃，保温60～180min，再自然冷却至室温，即得到球状氧化钛/二氧化锡光电极。所述步骤1)中加入(NH4)2TiF6后搅拌10～20min至澄清，加入硼酸后搅拌20～40min至澄清，加入稀硝酸后搅拌10～20min至澄清。所述步骤1)中TiO2前驱液中Ti元素的浓度为0.010～0.030mol/L。所述步骤3)和步骤4)中TiO2前驱液的温度为60～65℃，自组装聚合的时间为10～13h。所述步骤3)和步骤4)中的干燥时间为6～8h。所述步骤9)中的升温速度为10～30℃/min。所述的球状氧化钛/二氧化锡光电极的制备方法制得的球状氧化钛/二氧化锡光电极，所述球状氧化钛/二氧化锡光电极中TiO2的晶型为红锌矿型，具有I41/amd空间对称性，SnO2的晶型为金红石型，空间对称性为P4/mnm；TiO2的形貌为球状纳米结构，其球状直径为48～73nm。在模拟太阳光照射下，所述球状氧化钛/二氧化锡光电极在1.50V条件下产生0.11mA/cm2电流密度。所述球状氧化钛/二氧化锡光电极在光照开始后光电流密度由0.073mA/cm2快速衰减为0.050mA/cm2，所述球状氧化钛/二氧化锡光电极中光生电子-空穴对在光电极/溶液界面发生的表面复合过程中的复合几率为31.5％。所述的球状氧化钛/二氧化锡光电极在可见光下光催化降解有机污染物方面的应用。相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提供的球状氧化钛/二氧化锡光电极的制备方法，先配置TiO2前驱液，然后将SnO2/玻璃基板在紫外光下照射，使SnO2/玻璃基板表面形成羟基单分子层，利用羟基单分子层与TiO2前驱液中[Ti(OH)6]2-之间的反向聚合反应，层层自组装反向诱导小分子[Ti(OH)6]2-，制备出非晶态玻璃/SnO2-O-TiO2复合薄膜，最后于500℃保温晶化，即得到球状氧化钛/二氧化锡光电极。本专利技术工艺过程简单易控，实验条件要求较低，通过反向吸附液相层层自组装法得到具可见光响应的球状TiO2/SnO2光电极。自组装单层膜(self-assembledmonolayers，SAMs)技术是一个借鉴于仿生学的新型成膜技术，通过短波紫外光辐照在基底界面上自发形成的有序的单分子羟基吸附层，形成的羟基吸附层在空气中自发通过化学键牢固地吸附在基板上所形成的超薄羟基膜，具有原位自发形成、成键高度有序排列、缺陷少、结合力强、呈“结晶态”等特点，适用于异相成核诱导制备无机材料薄膜，具有制备方法简单、成膜效果好、稳定性强、膜层厚度超薄等优点。本专利技术制备的球状氧化钛/二氧化锡光电极呈球状纳米结构并附着在基板表面，有效地提高比表面积和有机物吸附能力，从而提高光电极的光催化效果。并且本专利技术制备的TiO2/SnO2光电极具有较高的电流密度，其光电响应能力良好，对光的利用率高，电流密度大，适合应用于光催化降解水中或空气中的有机污染物，在光催化领域具有广阔的应用前景。附图说明图1是本专利技术制备的球状TiO2/SnO2光电极的XRD图；图2是本专利技术制备的球状TiO2/SnO2光电极的SEM图；图3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种球状氧化钛/二氧化锡光电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)TiO

【技术特征摘要】
1.一种球状氧化钛/二氧化锡光电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)TiO2前驱液的配置：室温下，向去离子水中加入(NH4)2TiF6，搅拌至澄清，然后加入硼酸，搅拌至澄清，最后加入稀硝酸，调节pH值至1～4，并搅拌至澄清，得TiO2前驱液；其中加入的(NH4)2TiF6和硼酸的摩尔比为(1～3):(1～2)；2)SnO2/玻璃基板的功能化：将SnO2/玻璃基板洗涤干净后置于184.9nm的紫外光下照射20～40min，使SnO2/玻璃基板表面形成羟基单分子层；3)薄膜的自组装：将SnO2/玻璃基板的羟基单分子层一面悬浮于TiO2前驱液表面进行自组装吸附，利用基板表面的羟基层与TiO2前驱液中小分子[Ti(OH)6]2-中的OH进行聚合反应，异相成核自组装形成非晶态的玻璃/SnO2-O-[Ti(OH)5]-前驱薄膜，再在室温下干燥，得到玻璃/SnO2-O-[TiO3H)]-非晶薄膜；4)薄膜的层层自组装：将玻璃/SnO2-O-[TiO3H)]-非晶薄膜在184.9nm的紫外光下照射20～40min，使其表面形成羟基单分子层，然后将该羟基单分子层悬浮于TiO2前驱液表面，对TiO2前驱液中的[Ti(OH)6]2-进行自组装聚合吸附，形成玻璃/SnO2-O-[TiO3H)]--O-[TiO3H)]-非晶薄膜，再在室温下干燥；如此反复多次层层自组装直至达到所需厚度，得到非晶态玻璃/SnO2-O-TiO2复合薄膜；5)薄膜的晶化将非晶态玻璃/SnO2-O-TiO2复合薄膜放入马弗炉中，从室温升到250～550℃，保温60～180min，再自然冷却至室温，即得到球状氧化钛/二氧化锡光电极。2.根据权利要求1所述的球状氧化钛/二氧化锡光电极的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中加入(NH4)2TiF6后搅拌1...

【专利技术属性】
技术研发人员：谈国强，张昕蕾，许驰，任慧君，夏傲，邵丹，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61