铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂及其制备方法和应用，属于二氧化钛光催化剂领域。该铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂的制备方法如下：步骤一：将Ti片打磨光滑，浸入强酸混合液中，化学抛光，后超声清洗，烘干备用；步骤二：在直流电压下，以步骤一所得Ti片为阳极，以Pt片为阴极，在电解液中阳极氧化Ti片，得无定型二氧化钛纳米管阵列；步骤三：将步骤二所得无定型二氧化钛纳米管阵列于氮气氛围下高温煅烧，使其晶化成型，即得铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂。本发明专利技术方法可一步同时掺杂铁、氮、氟三种元素进TiO2纳米管阵列，工艺简单、操作方便且不会产生二次污染。

【技术实现步骤摘要】
铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂及其制备方法和应用
本专利技术属于二氧化钛光催化剂领域，具体涉及一种铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
光催化技术是近年来发展起来的污染物处理技术，在光照作用下，经过一系列的反应产生具有强氧化能力的自由基，能够将水体中的有机污染物彻底氧化矿化。半导体光催化降解有机污染物不仅具有生物降解无可比拟的速度快、无选择性、降解完全等优点，又在价廉、无毒、可长期使用等方面明显优于传统的化学氧化方法，因而备受人们的关注。在众多半导体光催化材料中，二氧化钛具有有价廉、无毒以及较强的光催化氧化能力而广泛用于水体中难生物降解的有机污染物处理。在众多形态的二氧化钛材料中，以Ti片为基底制备的二氧化钛纳米管阵列，具有比表面积大，孔径可调，结构有序，与基体结合牢固，不易脱落，不会产生二次污染的特点，近年来被广泛应用于光催化降解有机污染物。但是，二氧化钛纳米管阵列的禁带宽度较宽（3.2eV），只对紫外光有响应，而此部分紫外光只占太阳能的3-4%，对太阳光的利用率十分低；此外，光生电子和空穴在产生的10-9s内复合，导致量子效率很低，限制其实际应用。因此需要对二氧化钛纳米管阵列进行修饰改性，目前国内外的改性方法主要包括金属离子掺杂、非金属离子掺杂、半导体复合、贵金属沉积等，或者是几种方法同时使用。而一步同时将三种以上元素掺杂进阳极氧化法制备的二氧化钛纳米管阵列的制备方法亟待研发。
技术实现思路
解决的技术问题：本专利技术的目的是克服现有技术的不足而提供一种铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂及其制备方法和应用，该催化剂晶型良好、光电性能优良。本专利技术的技术方案：铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂的制备方法，步骤如下：步骤一：将Ti片打磨光滑，浸入强酸混合液中，化学抛光10~50s，后依次用丙酮、无水乙醇、去离子水各超声清洗5~30min，后烘干备用；其中所述强酸混合液为HF和HNO3和H2O的混合液，HF、HNO3和H2O的体积比为1~2：4~10：5~10；步骤二：在20-60V直流电压下，以步骤一所得Ti片为阳极，以Pt片为阴极，在电解液中阳极氧化Ti片2~8h，得无定型二氧化钛纳米管阵列；步骤三：将步骤二所得无定型二氧化钛纳米管阵列于氮气氛围下高温煅烧，煅烧温度为400-600°C，煅烧时间为1-4h，：使其晶化成型，即得铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂。以上所述的铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂的制备方法，步骤一中，HF、HNO3和H2O的体积比为1：4：5。以上所述的铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂的制备方法，步骤二中所述电解液包括按照质量份数计的如下组分：去离子水为1-10wt%，九水合硝酸铁为0.04-0.4wt%，氟化铵为0.1-2wt%，余量为乙二醇。所述的铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂的制备方法，步骤二中，在40V直流电压下，以步骤一所得Ti片为阳极，以Pt片为阴极，在电解液中阳极氧化Ti片4h。上述的铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂的制备方法，步骤三中的煅烧温度为450°C，煅烧时间为2h。铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂的制备方法制得的铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂。铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂的制备方法制得的铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂在降解有机污染物中的应用。有益效果第一，本专利技术利用电化学阳极氧化法，在含去离子水、硝酸铁、氟化铵的乙二醇电解液中，氧化钛片，制得的无定型二氧化钛纳米管阵列，然后在在氮气氛围下高温煅烧，制备出晶型良好、光电性能良好的铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂；第二，本专利技术以氮掺杂二氧化钛，使其具有更窄的带隙宽度和更强的可见光吸收能力，有效地拓宽其在可见光的吸收范围；以铁和氟掺杂二氧化钛，降低了其光生电子和空穴的复合几率，提高了其光电转换的效率，从而提高了在光反应过程中羟基自由基的浓度，在光催化降解有机污染物如苯酚的研究中，展现出很好的可见光光催化性能；第三，本专利技术制备方法工艺简单、操作方便，所得催化剂成本低、回收方便、不会产生二次污染的、且可重复利用，有效提高了太阳能的利用率和量子效率，在光催化降解有机污染物、太阳能利用等领域有着广阔的应用前景。附图说明图1为实施例1所得铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂的扫描电子显微镜图；图2-a为实施例1所得铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂的X-射线光电子全谱图；图2-b为实施例1所得铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂的N1s的X-射线光电子能谱图；图2-c为实施例1所得铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂的F1s的X-射线光电子能谱图；图2-d为实施例1所得铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂的Fe2p的X-射线光电子能谱图；图3为实施例3所得铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂的扫描电子显微镜图；图4为实施例1所得铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂降解苯酚时的苯酚剩余率-时间关系曲线图；图5为实施例1所得铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂降解苯酚时的苯酚剩余率-重复利用次数关系曲线图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步阐述，但本专利技术并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。实施例1将Ti片（2cm×2cm，99.997%）用金相砂纸打磨，直至表面清洁光滑，再浸入强酸混合溶液（HF：HNO3：H2O=1:4:5体积比)中进行化学抛光30s，随后分别用丙酮溶液、无水乙醇、去离子水超声清洗10min。处理后的Ti片放在鼓风干燥箱中，于80°C烘干，备用。在40V直流电压下，以Ti片为阳极，Pt片为阴极，在含2wt%去离子水、0.2wt%九水合硝酸铁、0.3wt%氟化铵，余量为乙二醇的电解液中，阳极氧化Ti片4h，制备出无定型TiO2纳米管阵列。将所得的TiO2纳米管阵列置于马弗炉中在氮气氛围下高温煅烧，煅烧温度为450°C，煅烧时间为2h，使其晶化成型，即可得铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂。用扫描电子显微镜观察所得催化剂的形貌。由图1可知，用以上方法得到的纳米管晶莹剔透，每根纳米管相互独立排列，由此可知三种元素的掺杂并未影响其纳米管阵列的形貌结构。其管径约为80nm，壁厚约为12nm，管长约为11µm。用X-射线光电子能谱仪分析铁、氮、氟-二氧化钛纳米管阵列的化学元素组成及其价态。由图2-a至图2-d可知，该纳米管由Ti、O、N、F、Fe组成，N主要以Ti-O-N存在，说明N主要以空隙N形式存在，F主要以Ti-O-F存在，说明F已经成功地取代了部分TiO2晶格中的O，对于Fe2p，在709.86eV的峰表明Fe3+的存在，说明Fe3+也成功地掺杂进TiO2晶格，取代了部分Ti4+。以上都证明铁、氮、氟-二氧化钛纳米管阵列制备成功。实施例2将Ti片（2cm×2cm，99.997%）用金相砂纸打磨，直至表面清洁光滑，再浸入强酸混合溶液（HF：HNO3：H2O=1:4:5体积比)中进行化学抛光30s，随后分别用丙酮本文档来自技高网...

【技术保护点】
铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤如下：步骤一：将Ti片打磨光滑，浸入强酸混合液中，化学抛光10~50s，后依次用丙酮、无水乙醇、去离子水各超声清洗5~30min，后烘干备用；其中所述强酸混合液为HF和HNO3和H2O的混合液，HF、HNO3和H2O的体积比为1~2：4~ 10：5 ~10；步骤二：在20‑60V直流电压下，以步骤一所得Ti片为阳极，以Pt片为阴极，在电解液中阳极氧化Ti片2~8h，得无定型二氧化钛纳米管阵列； 步骤三：将步骤二所得无定型二氧化钛纳米管阵列于氮气氛围下高温煅烧，煅烧温度为400‑600°C，煅烧时间为1‑4h，：使其晶化成型，即得铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂。

【技术特征摘要】
1.铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤如下：步骤一：将Ti片打磨光滑，浸入强酸混合液中，化学抛光10~50s，后依次用丙酮、无水乙醇、去离子水各超声清洗5~30min，后烘干备用；其中所述强酸混合液为HF和HNO3和H2O的混合液，HF、HNO3和H2O的体积比为1~2：4~10：5~10；步骤二：在20-60V直流电压下，以步骤一所得Ti片为阳极，以Pt片为阴极，在电解液中阳极氧化Ti片2~8h，得无定型二氧化钛纳米管阵列，所述电解液包括按照质量百分比计的如下组分：去离子水1-10wt%，九水合硝酸铁0.04-0.4wt%，氟化铵0.1-2wt%，余量为乙二醇；步骤三：将步骤二所得无定型二氧化钛纳米管阵列于氮气氛围下高温煅烧，煅烧温度为400-600°C，煅烧时间为1-4h，使其晶化成型，即得铁、氮、氟共掺杂二氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：白雪，华祖林，戴章艳，顾海鑫，黄欣，唐志强，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32