一种固定Z型TiO2|Ti|WO3光催化复合膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种固定Z型光催化复合膜的制备及其应用。本发明专利技术利用腐蚀煅烧法和溶胶凝胶旋涂法制备的一种以钛箔为载体，在钛箔两侧分别负载TiO2薄膜和WO3薄膜的固定Z型TiO2|Ti|WO3光催化复合膜。可有效促进光生电子和空穴对的分离和转移，其中钛箔作为载体和导电通道能够起到固定催化剂和加速电子转移的作用。最终将制备的固定Z型TiO2|Ti|WO3光催化复合膜应用于光催化产氢中展现了很高的光催化产氢活性。

【技术实现步骤摘要】
一种固定Z型TiO2|Ti|WO3光催化复合膜及其制备方法和应用
本专利技术属于光催化领域，尤其涉及一种固定Z型TiO2|Ti|WO3光催化复合膜及其制备方法和应用。
技术介绍
近年来，随着生态环境的破坏和化石燃料的枯竭，新型清洁能源的开发越来越受到国内外专家的关注。太阳能在新能源的开发中起着至关重要的作用，因为它是人类发展过程中取之不尽、用之不竭的能源。此外，氢气具有无污染，高燃烧值和可再生的优点，因此是理想的能源载体。传统的制氢方法主要是通过水的电解和烃的裂解，但这些传统的方法成本昂贵。也许利用太阳能进行水的分解来制备氢气是未来获得清洁和可再生燃料的潜在选择，这为解决日益紧迫的能源危机提供了一种有效的解决方法。自从Fujishima和Honda在20世纪70年代首次将二氧化钛用于光电催化制氢以来，许多半导体光催化剂得到了研究和开发，如CdS，C3N4，ZnO和Cu2O。然而，这些光催化剂受到许多负面因素的影响，如高的光生电子-空穴对复合率、窄的光谱响应范围和低的化学稳定性，这些负面因素严重制约了光催化剂的应用。为了克服上述不利因素和开发高效稳定的光催化剂，科学家们通过模拟天然光合作用过程，设计了一些Z型复合光催化剂，如BiVO4/CdS，Ta2O5/TiO2和BiOBr/C3N4等。首先，与单独的光催化剂相比，在Z型复合光催化剂中，由于两种不同光催化剂之间的光生电子的转移，导致光生电子-空穴对的复合率较低。其次，通过匹配不同带隙的半导体，拓宽了光催化剂的光谱响应范围。第三，与单独的催化剂相比，Z型光催化体系具有很强的氧化还原能力。Z型光催化体系所具有的这些优点极大的提高了光催化剂的催化性能。但是在制备过程中难以获得高比例的Z型光催化剂复合物。此外，光催化剂的循环利用也是不可忽视的问题。因此，专利技术一种具有高比例Z型光催化体系并且利于回收的催化剂变得尤为重要。
技术实现思路
为了获得高比例的Z型光催化体系，本专利技术设计合成了一种固定Z型TiO2|Ti|WO3光催化复合膜，将其应用于光催化分解水产氢中，具有很高的光催化产氢效率。本专利技术采用的技术方案是：一种固定Z型TiO2|Ti|WO3光催化复合膜，以钛箔为载体，在钛箔两侧分别负载TiO2膜和WO3膜。一种固定Z型TiO2|Ti|WO3光催化复合膜，包括如下步骤：1)负载TiO2膜：将钛箔用去离子水进行清洗后，放入酸性溶液中2-3min，取出后用去离子水清洗；然后将钛箔对折转移到浓度为30wt％双氧水溶液中，在80-100℃下处理60min后，80℃下干燥，重复此步骤1-3次；取出钛箔并展开，用蒸馏水洗涤，在钛箔的一个侧面形成TiO2膜；2)负载WO3膜：在未与过氧化氢反应的钛箔的另一侧面的表面上将WO3溶胶以1000rpm的速度均匀地旋涂10-30s，100℃恒温干燥60min，在钛箔的另一侧面形成WO3膜，重复此步骤1-3次，获得在钛箔两侧面分别负载TiO2膜和WO3膜的TiO2|Ti|WO3光催化复合膜；3)最后将TiO2|Ti|WO3光催化复合膜在马弗炉中500℃煅烧1.0h，得固定Z型TiO2|Ti|WO3光催化复合膜。上述的一种固定Z型TiO2|Ti|WO3光催化复合膜的制备方法，钛箔的厚度为0.2～0.8mm。上述的一种固定Z型TiO2|Ti|WO3光催化复合膜的制备方法，步骤1)中所述的酸性溶液为氢氟酸和硝酸的混合溶液，按体积比，HF:HNO3:H2O＝1:8-12:85-95。上述的一种固定Z型TiO2|Ti|WO3光催化复合膜的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述的WO3溶胶的制备：于钨酸钠水溶液中逐滴加入硝酸，反应后过滤，水洗，取沉淀，将沉淀溶于过氧化氢溶液中，搅拌2.0-3.0h后加入PEG-20000和乙醇，搅拌2.0-3.0h，老化，得WO3溶胶。上述的一种固定Z型TiO2|Ti|WO3光催化复合膜在光催化分解水产氢中的应用，方法如下：于含有牺牲剂的溶液中，加入上述的固定Z型TiO2|Ti|WO3光催化复合膜，在温度25℃和压力101325Pa下，用300W的氙灯照射4.0h。优选的，所述的牺牲剂为甲醇。本专利技术的新型固定Z型TiO2|Ti|WO3光催化复合膜在模拟太阳光照射下光催化分解水过程分析：TiO2的导带(CB)和价带(VB)电位分别为-0.29eV和2.91eV。由于TiO2的导带电势比H+/H2(E0(H+/H2)＝0VNHe)的标准还原电位更负，因此TiO2被认为是一种合适的太阳能驱动的析氢光催化剂。此外，TiO2由于其优异的光学活性、化学惰性、低成本和低毒性，在光催化制氢领域受到了广泛的关注。WO3是一种典型的窄带(约为2.7eV)半导体，具有良好的可见光吸收能力。同时，WO3具有合适的带隙边缘(Ecb＝0.74eV和Evb＝3.44eV)，可以与TiO2(Ecb＝-0.29eV和Evb＝2.91eV)匹配，形成理想的Z型光催化体系。Z型光催化体系的构筑抑制了光生电子-空穴对的复合，保证了更多的电子集中在TiO2的导带上，从而有效地促进光催化产氢过程。特别是近几年的报道表明，在Z型光催化体系中加入导电通道可以加速光生电子的转移，从而进一步抑制光生电子-空穴对的复合。因此，本研究采用腐蚀煅烧法和溶胶-凝胶旋涂法，在钛箔的两侧分别制备了TiO2和WO3薄膜，并构建了一种新型的固定Z型TiO2|Ti|WO3光催化复合膜。这种方法不仅具有一般Z型光催化体系的优点，而且还可用于大规模光催化产氢。因为TiO2和WO3薄膜被固定在钛箔上，有利于催化剂的回收和再利用。总之，所设计的固定Z型TiO2|Ti|WO3光催化复合膜具有光生电子-空穴对复合率低、电子转移效率高、氧化还原能力强、光谱响应范围宽、循环利用率高、应用范围广等优点。本专利技术的有益效果：1.本专利技术针对TiO2和WO3带宽特点和能带位置的独特性，设计了一种将钛箔作为导电通道和载体的新型光催化剂。钛箔的引入可以使WO3导带上的光生电子和TiO2价带上的光生空穴得到了更好的结合，从而大幅度的提高了光催化剂制氢的效率。2.本专利技术不仅具有一般Z型光催化体系的优点，而且还可用于大规模光催化产氢。因为TiO2和WO3薄膜被固定在钛箔上，有利于催化剂的回收和再利用。3.本专利技术具有光生电子-空穴对复合率低、电子转移效率高、氧化还原能力强、光谱响应范围宽、循环利用率高、应用范围广等优点。附图说明图1是TiO2|Ti|WO3复合膜的制备流程图。图1a是Ti的X射线粉末衍射(XRD)标准卡片图。图1b是TiO2的X射线粉末衍射(XRD)标准卡片图。图1c是WO3的X射线粉末衍射(XRD)标准卡片图。图1d是TiO2|Ti|WO3复合膜上TiO2面的X射线粉末衍射(XRD)图。图1e是TiO2|Ti|WO3复合膜上WO3面的X射线粉末衍射(XRD)图。图2a-1是比例尺为100μm时TiO2|Ti|WO3复合膜的侧面扫描电子显微镜(SEM)图。图2a-2是比例尺为20μm时TiO2|Ti|WO3复合膜的侧面扫描电子显微镜(SEM)图。图2b-1是比例尺为1μm时TiO2|Ti|WO3复合膜的TiO2面扫描电子显微镜(SEM)图。图2b-2是比例尺为200nm时TiO2|Ti|WO3复合膜的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固定Z型TiO2|Ti|WO3光催化复合膜，其特征在于：以钛箔为载体，在钛箔两侧分别负载TiO2膜和WO3膜。

【技术特征摘要】
1.一种固定Z型TiO2|Ti|WO3光催化复合膜，其特征在于：以钛箔为载体，在钛箔两侧分别负载TiO2膜和WO3膜。2.权利要求1所述的一种固定Z型TiO2|Ti|WO3光催化复合膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)负载TiO2膜：将钛箔用去离子水进行清洗后，放入酸性溶液中2-3min，取出后用去离子水清洗；然后将钛箔对折转移到浓度为30wt％双氧水溶液中，在80-100℃下处理60min后，80℃下干燥，重复此步骤1-3次；取出钛箔并展开，用蒸馏水洗涤，在钛箔的一个侧面形成TiO2膜；2)负载WO3膜：在未与过氧化氢反应的钛箔的另一侧面的表面上将WO3溶胶以1000rpm的速度均匀地旋涂10-30s，100℃恒温干燥60min，在钛箔的另一侧面形成WO3膜，重复此步骤1-3次，获得在钛箔两侧面分别负载TiO2膜和WO3膜的TiO2|Ti|WO3光催化复合膜；3)最后将TiO2|Ti|WO3光催化复合膜在马弗炉中500℃煅烧1.0h，得固定Z型TiO2|Ti|WO3光催化复合膜。3.权利要求2所述的一种固定Z型TiO2|Ti|W...

【专利技术属性】
技术研发人员：王君，赵成，张朝红，张旭，吕梦瑶，房大维，
申请(专利权)人：辽宁大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21