氮掺杂黑色二氧化钛的半导体复合光催化材料及其制备方法技术

技术编号:20076173 阅读:14 留言:0更新日期:2019-01-15 00:57
本发明专利技术涉及氮掺杂黑色二氧化钛的半导体复合光催化材料及其制备方法,所述光催化材料通过将二氧化钛和氧化物半导体材料混合并在含氮且具有还原能力的气氛下进行焙烧得到。

Nitrogen-doped Black Titanium Dioxide Semiconductor Composite Photocatalytic Materials and Their Preparation Method

The invention relates to a nitrogen-doped black titanium dioxide semiconductor composite photocatalytic material and a preparation method thereof. The photocatalytic material is obtained by mixing titanium dioxide and oxide semiconductor material and calcining in a nitrogen-containing and reducing atmosphere.

【技术实现步骤摘要】
氮掺杂黑色二氧化钛的半导体复合光催化材料及其制备方法
本专利技术涉及一种氮掺杂黑色二氧化钛的半导体复合光催化材料及其制备方法,得到的半导体复合材料光催化性能优异,对废水、污水等中的有机物具有优异的降解清洁性能,属于材料领域。
技术介绍
能源短缺和环境污染是现今人类可持续发展所面临的两大问题。太阳能有效利用是目前认为能解决这两个问题的最佳方案。基于太阳能利用的半导体光催化技术能有效缓解和治理环境污染。自1972年发现TiO2光电极表面持续产氢的现象以来,基于太阳能利用的半导体光催化技术在降解有机污染物方面受到了极大关注和广泛应用,这主要是源于光催化过程中光生电子-空穴对的强还原和氧化能力。大量实验表明,水和空气中各种有色,有毒,有臭味的有机污染物,如染料、农药、化学助剂等、化工生产中常大量排放的各种链烃、芳烃和它们的衍生物、卤化物,各种多环芳烃,杂环化合物和挥发性有机溶剂等都能为光催化反应所降解。有许多有机污染物可以完全降解而成为CO2、H2O等无机物,从而使TOC大大降低。也有些污染物则被降解成为较难降解的中间体。这时,TOC虽下降不多。但随着碳链的断裂,污染物的毒性减少,可生化性增加。许多无机污染物如CN-,NOx,NH3,H2S等也同样能通过光催化反应而被降解。在各种有害的重金属离子中,铂、金、银、汞等离子可为光催化反应还原成金属状态。到目前为止,TiO2以其无毒、催化活性高、氧化能力强、稳定性好最为常用。但它的局限性也非常明显:禁带宽(>3.0eV),只能吸收紫外光,不能够利用太阳光谱中的可见光;量子效率有待进一步高。围绕提高TiO2光催化性能的方案主要,包括重金属沉积、半导体复合、金属离子掺杂、非金属掺杂和染料敏化等等。基于二氧化钛的半导体复合在一定程度上提升了光生电子-空穴的分离效率,同时也拓展了二氧化钛的光响应波段范围。此外,近几年开发出来的黑色TiO2,由于引入的大量氧空位、Ti3+或表面非晶层等,表现出优异的光吸收性能及光电催化活性引起了广泛关注。而现有技术的黑色TiO2及基于黑色TiO2的掺杂、复合材料,例如掺杂黑色二氧化钛虽然能在一定程度上提高光催化活性,但仍存在例如整个太阳光谱的光吸收低下等不足。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种氮掺杂黑色二氧化钛的半导体复合光催化材料及其制备方法,半导体复合、氮掺杂、氧空位形成同步完成,提升TiO2的光吸收性能及光电催化活性,复合的材料对废水具有优异的降解清洁性能。在此,一方面,本专利技术提供一种复合光催化材料,是氮掺杂黑色二氧化钛的半导体复合光催化材料,所述光催化材料通过将二氧化钛和氧化物半导体材料混合并在含氮且具有还原能力的气氛下进行焙烧得到。所述氧化物半导体材料为与黑色二氧化钛能带匹配的氧化物半导体材料。所述复合光催化材料中,N元素与Ti元素的摩尔比为(0.02~0.1):1。氮掺杂后,得到的黑色二氧化钛的半导体复合光催化材料的吸收光谱拓展到可见光范围(对太阳光能有80%-90%的吸收),材料具有优异的光催化性能,可用于矿化有机污染物。另一方面,本专利技术还提供一种上述复合光催化材料的制备方法,包括:按照1:(0.05~0.50)的摩尔比将二氧化钛粉体与氧化物半导体材料混合得到混合物;以及将所述混合物在含氮且具有还原能力的气氛下进行焙烧,得到氮掺杂黑色二氧化钛的半导体复合光催化材料。通过将二氧化钛与所选取的半导体材料混合均匀,用含氮且具有还原能力的气氛在高温下焙烧处理;在焙烧过程中既有选取的材料与二氧化钛形成复合相,同时所选取的材料与二氧化钛都被适度还原,还同步被含氮气氛在高温下实现氮掺杂,最终形成基于氮掺杂的黑色二氧化钛半导体复合材料(MO1-x/TiO2-y-N,0<x<1,0<y<2,M可以为Sn、Nb、Ta、W、In等)。该方法实现了半导体复合、表面还原、表面氮化同步完成。此外,通过将能带匹配的二氧化钛与所选取的半导体材料复合,一方面可以有效提升光生电子-空穴的分离效率,另一方面可以拓展材料的光响应范围实现可见光吸收及光催化性能,且不会损害单个材料的性能。所述二氧化钛粉体为纳米级二氧化钛粉体,粒度可以为2~100nm;所述氧化物半导体材料为纳米级氧化物半导体材料,粒度可以为2~100nm。较佳地,所述氧化物半导体材料为二氧化锡(SnO2)、五氧化二铌(Nb2O5)、五氧化二钽(Ta2O5)、三氧化钨(WO3)、三氧化二铟(In2O3)中的至少一种。所述二氧化钛粉体与所述氧化物半导体材料的摩尔比可以为1:(0.2~0.3)。所述焙烧的温度可以为400~850℃,所述焙烧的时间可以为0.5~12小时。较佳地,所述焙烧的温度为450~700℃,所述焙烧的时间为1~8小时。较佳地,所述含氮且具有还原能力的气氛为氨气/氢气混气氛。氨气:氢气的体积百分比可以为(0.1~0.9):1;通气工作时气压可以为1~5个大气压。所述含氮且具有还原能力的气氛中的氨气的作用是氮化二氧化钛纳米粉体。所述方法工艺简单,可控性强,重复性好,易于实现大规模生产。对二氧化钛的改性时,氮掺杂、氧空位形成以及半导体复合同步进行。所得到的半导体复合材料,拓宽了对太阳光的吸收范围、同时电子受体及空穴受体有效抑制电子-空穴对的复合使得光催化性能大幅提升。附图说明图1示出实施例1所得复合光催化材料对甲基橙溶液的光照降解结果;附图2示出实施例2所得复合光催化材料对甲基橙溶液的光照降解结果;附图3示出实施例6所得复合光催化材料对芬达汽水的光照降解结果;附图4示出对比例1所得对比复合光催化材料对甲基橙溶液的光照降解结果。具体实施方式以下结合附图和下述实施方式进一步说明本专利技术,应理解,下述实施方式仅用于说明本专利技术,而非限制本专利技术。本专利技术涉及基于原位氮掺杂黑色二氧化钛的半导体复合光催化材料及其制备方法,首先选取与二氧化钛能带相匹配的材料,经过混合均匀后,用氨气/氢气混合在高温下焙烧处理;在焙烧过程中既有选取的材料与二氧化钛形成复合相,同时所选取的材料与二氧化钛都被适度还原,关键是同步被氨气在高温下实现氮掺杂,最终形成基于氮掺杂的黑色二氧化钛半导体复合材料。该方法实现了半导体复合、表面还原、表面氮化同步完成。所述方法工艺简单,可控性强,重复性好,易于实现大规模生产。形成原位氮掺杂的黑色二氧化钛半导体复合材料,进一步调控了材料的带隙以及引入较多的非晶层、并同步实现材料的氮掺杂。大幅拓宽了材料对太阳光的吸收范围及有效抑制电子-空穴对,使得制备的材料具有良好的光催化材料性能。以下示例性地说明本专利技术的氮掺杂的黑色二氧化钛半导体复合光催化材料的制备方法。首先,按比例将二氧化钛与氧化物半导体材料混合均匀,得到混合物(也可称为“前驱物”)。二氧化钛可采用纳米级二氧化钛粉体,二氧化钛粉体的粒度可以为2~100nm。半导体材料采用与二氧化钛能带匹配的半导体材料,具体而言为与TiO2能带相匹配的氧化物半导体材料(以下有时称“半导体材料”或“氧化物材料”),例如可以是SnO2、Nb2O5、Ta2O5、WO3、In2O3等,可以是其中的一种或者两种以上的混合。又,复合后,半导体材料可以采用与二氧化钛能带相匹配的并形成利于光生电子-空穴对分离的内置电场。与二氧化钛能带匹配的半导体材料也可采用纳米粉本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种复合光催化材料,其特征在于,是氮掺杂黑色二氧化钛的半导体复合光催化材料,所述光催化材料通过将二氧化钛和氧化物半导体材料混合并在含氮且具有还原能力的气氛下进行焙烧得到。

【技术特征摘要】
1.一种复合光催化材料,其特征在于,是氮掺杂黑色二氧化钛的半导体复合光催化材料,所述光催化材料通过将二氧化钛和氧化物半导体材料混合并在含氮且具有还原能力的气氛下进行焙烧得到。2.一种权利要求1所述的复合光催化材料的制备方法,其特征在于,包括:按照1:(0.05~0.50)的摩尔比将二氧化钛粉体与氧化物半导体材料混合得到混合物;以及将所述混合物在含氮且具有还原能力的气氛下进行焙烧,得到氮掺杂黑色二氧化钛的半导体复合光催化材料。3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述二氧化钛粉体的粒度为2~100nm,所述氧化物半导体材料的粒度为2~100nm。4.根据权利要求2或3所述的制备方法,其特征在于,所述氧化物半导体材料为二氧化锡、五氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员:黄富强刘战强孙甜王森
申请(专利权)人:中国科学院上海硅酸盐研究所
类型:发明
国别省市:上海,31

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