硫化铜/氧化钛异质结光催化剂的低温制备方法技术

本发明专利技术涉及一种硫化铜(CuS)/氧化钛(TiO2)异质结光催化剂的低温制备方法。（1）以钛的无机盐或有机盐为前驱体，采用沉淀法或溶胶-凝胶方法制得氢氧化钛(Ti(OH)4)；（2）400-650 oC温度下，对Ti(OH)4进行焙烧，焙烧2-4 h，得到TiO2载体；（3）将铜粉和硫粉分散在特定溶剂中，将TiO2载体浸渍入此溶剂中磁力搅拌，40-60 oC水浴加热4-24 h，在此过程中由铜粉和硫粉生成的CuS可以负载到TiO2载体上；（4）将上述CuS/TiO2样品冷却至室温，经过过滤、洗涤、干燥即可得到CuS/TiO2异质结光催化剂。

【技术实现步骤摘要】
硫化铜/氧化钛异质结光催化剂的低温制备方法
本专利技术涉及一种光催化剂的制备方法，具体的说是一种硫化铜/氧化钛异质结光催化剂的低温制备方法。
技术介绍
环境和能源问题是21世纪人类面临的最大挑战。光催化技术引起了各国政府和科学家的极大兴趣，并且被认为是有可能成为解决环境污染和能源危机的有效手段之一。纳米TiO2因其优良的光化学活性、耐酸碱和光化学腐蚀、无毒、制备成本低廉等优点成为当前最有应用潜力的光催化材料和光伏材料之一。目前，以TiO2为基础的半导体光催化材料已成为世界各国科学家们研究的热点和重点，引起了世界各国政府、产业部门和学术界的广泛兴趣和关注。但是以TiO2半导体为基础的光催化技术还存在一些关键性的科学问题,阻碍了其工业化的发展和应用。主要有:(1)TiO2的量子效率比较低。在实际应用中,TiO2的量子效率最高不超过10％,难以处理溶度较高或者量比较大的工业废水和废气。(2)TiO2是宽禁带光催化剂,只能被紫外光所激发。而紫外光只占太阳光能量的大约4％,因此,TiO2光催化反应的太阳能利用率比较低。解决上述问题的关键在于提高TiO2光催化反应的催化活性,提高TiO2的表观量子效率,使其激发波长扩展到太阳光中的可见光区域,从而提高太阳能的利用率。金属硫化物被认为是优良的可见光光催化剂,其合适的价带导带位置使得金属硫化物在光催化氧化和光分解水制氢等领域有着潜在的应用前景。硫化铜(CuS)作为一种重要的半导体材料,具有优异的光、电、磁以及其它物理和化学性质,已被广泛应用于太阳能电池装置、高容量锂离子电池阴极材料、催化剂、非线性光学材料等领域。如果将TiO2与CuS复合，一方面，当不同的半导体紧密接触时,会形成“结”,在结的两侧由于其能带等性质的不同会形成空间电势差。这种空间电势差的存在有利于电子-空穴的分离,可提高TiO2光催化的效率。另一方面，CuS的敏化作用能够拓展TiO2的响应光谱范围。因此形成的复合材料有望克服TiO2的上述缺点，不仅具有较高的光催化效率，而且纳米复合材料对太阳光的吸收与利用能力的提高，使其在太阳能光催化转化、太阳能电池等领域均能具有较好的应用前景。但是在将CuS与TiO2复合的过程中，通常为了提高催化剂的活性，需要进行高温煅烧和其它一些高温处理，不仅造成纳米粒子的聚集或CuS的氧化，而且制备路线较为复杂，使催化剂的制备成本高，限制了其实际应用。
技术实现思路
本专利技术就是针对上述问题，提供一种在低温下将CuS负载到TiO2上，从而形成CuS/TiO2异质结光催化剂的制备方法。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术所述的硫化铜/氧化钛异质结光催化剂的低温制备步骤为：1)将铜粉和硫粉分散在溶剂中，将TiO2载体浸渍到此溶剂中，40-60℃水浴下，磁力搅拌，加热4-24h，在此过程中由铜粉和硫粉生成的CuS则负载到TiO2载体上；2)将步骤1)得到的产物冷却至室温，再过滤、洗涤，于20-60℃下干燥即可得到CuS/TiO2异质结光催化剂。步骤(1)中所述的溶剂为乙二醇、乙二醇和水的混合溶剂、乙二醇和氯化胆碱的混合溶剂、丙三醇、乙腈中的一种或两种以上；乙二醇和水的混合溶剂中乙二醇和水的体积比为5:1～1:5；乙二醇和氯化胆碱的混合溶剂中氯化胆碱和乙二醇的摩尔比为3:1～1:3。步骤(1)中所述的铜粉和硫粉的摩尔比例为1:1。TiO2载体可以是购买的商品TiO2或实验室自制的TiO2；所述实验室自制TiO2载体的制备过程如下，(1)以钛的无机盐或有机盐中的一种或二种以上为前驱体，采用沉淀法或溶胶-凝胶方法制得Ti(OH)4；(2)400-650℃温度下，将步骤(1)得到的Ti(OH)4焙烧2-4h，得到TiO2载体。步骤(1)中沉淀法制备Ti(OH)4的具体过程为：将钛的有机盐溶于无水乙醇(钛的有机盐与无水乙醇的体积比为1：2-1：10)中或将钛的无机盐溶于水(钛的无机盐于水中的摩尔浓度范围为0.2-2mol/L)中充分搅拌，再缓慢滴加氨水调节pH＝8-10，继续搅拌4-24h，将沉淀过滤并分别用去离子水和无水乙醇洗涤2-4次，在80-120℃下烘干，即制得Ti(OH)4；或，钛的有机盐步骤(1)中溶胶-凝胶方法制备Ti(OH)4具体过程为：将钛的有机盐溶于无水乙醇中(钛的有机盐与无水乙醇的体积比为1：2-1：10)，充分搅拌，得浅黄色溶液；将该溶液缓缓加入到无水乙醇和去离子水(无水乙醇和去离子水的体积比为5:1-15:1)的混合溶液中，继续搅拌，待浅黄色溶液变成透明溶胶之后，静置得凝胶，于水浴中蒸掉凝胶中的溶剂，将产物在80-120℃烘干，即制得Ti(OH)4。或，钛的无机盐步骤(1)中溶胶-凝胶方法制备Ti(OH)4具体过程为：将一定量钛的无机盐溶液缓慢地滴加到无水乙醇中(钛的有机盐与无水乙醇的体积比为1：8-1：15)，将氨水和水的混合液缓慢滴入上述溶液中(氨水和水的体积比范围为1：20-1：30)，得到均匀透明的溶液。将该溶液在密闭环境中静置一定时间，成胶化之后，在80-90℃水浴中蒸干溶剂，然后经80-120℃烘干，即制得Ti(OH)4。步骤(1)中所述的钛的无机盐为四氯化钛(TiCl4)、硫酸钛(Ti(SO4)2)中的一种或二种；钛的有机盐为钛酸四丁酯(Ti(OBu)4)、异丙醇钛(TTIP)中的一种或二种。步骤(2)得到的TiO2载体具有锐钛矿晶相、或者锐钛矿和金红石混合晶相；购买的商品TiO2也具有锐钛矿晶相、或者锐钛矿和金红石混合晶相。步骤2)中得到的最终产物CuS/TiO2异质结光催化剂中CuS的负载量为TiO2载体的0.05-5wt％(CuS的质量占TiO2载体质量的0.05-5wt％)。本专利技术的有益效果：1、与纯TiO2相比，该催化剂不仅光谱响应范围拓展到了可见光区，而且光催化降解有机污染物催化活性得到了较大提高。这是因为TiO2与CuS复合后，既窄化了带隙、使之具有了可见光响应能力，TiO2与CuS异质结的形成又能有效促进光生电子和空穴的分离，从而使得CuS/TiO2异质结光催化剂降解罗丹明B和亚甲基蓝等有机污染物的光催化活性得到了较大提高。2、采用低温制备的CuS/TiO2异质结光催化剂，所使用的原料价格低廉，制备过程中温度低，节约能源，无需专有设备，工艺简单，制备成本低。3、本专利技术方法中使用的TiO2可以具有锐钛矿晶相，也可以具有锐钛矿和金红石混合晶相。4、本专利技术方法加入的CuS量非常低，以CuS计，仅为TiO2的0.05-5wt％(CuS的质量占TiO2载体质量的0.05-5wt％)，就可以使有效提高TiO2光催化降解有机污染物的光催化效率。附图说明图1为0.2wt％CuS/TiO2(锐钛矿晶相)样品的X射线衍射(XRD)图；图2为光照50min时，TiO2载体(锐钛矿晶相)、0.2wt％CuS/TiO2(锐钛矿晶相)样品对亚甲基蓝的光催化降解率图；图3为TiO2载体(锐钛矿和金红石混合晶相)、1wt％CuS/TiO2(锐钛矿和金红石混合晶相)样品的XRD图；图4为TiO2载体(锐钛矿和金红石混合晶相)、1wt％CuS/TiO2(锐钛矿和金红石混合晶相)样品的紫外拉曼光谱图；图5为1wt％CuS/TiO2(锐钛矿和金红石混合晶相)样品的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硫化铜/氧化钛异质结光催化剂的低温制备方法，其特征在于其制备步骤包括：（1） 将铜粉和硫粉分散在溶剂中，将TiO2载体浸渍到此溶剂中，40‑60 oC水浴下，磁力搅拌，加热4‑24 h，在此过程中由铜粉和硫粉生成的CuS则负载到TiO2载体上；（2）将步骤1）得到的产物冷却至室温，再过滤、洗涤，于20‑60 oC下干燥即可得到CuS/TiO2异质结光催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种硫化铜/氧化钛异质结光催化剂的低温制备方法，其特征在于，其制备步骤为：1)将铜粉和硫粉分散在溶剂中，将TiO2载体浸渍到此溶剂中，40-60oC水浴下，磁力搅拌，加热4-24h，在此过程中由铜粉和硫粉生成的CuS则负载到TiO2载体上；2）将步骤1）得到的产物冷却至室温，再过滤、洗涤，于20-60oC下干燥即可得到CuS/TiO2异质结光催化剂；步骤（1）中所述的溶剂为乙二醇、乙二醇和水的混合溶剂、乙二醇和氯化胆碱的混合溶剂、丙三醇、乙腈中的一种或两种以上；乙二醇和水的混合溶剂中乙二醇和水的体积比为5:1~1:5；乙二醇和氯化胆碱的混合溶剂中乙二醇和氯化胆碱的摩尔比为3:1~1:3。2.根据权利要求1所述的低温制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的铜粉和硫粉的摩尔比例为1:1。3.根据权利要求1所述的低温制备方法，其特征在于：TiO2载体可以是购买的商品TiO2或实验室自制的TiO2；所述实验室自制TiO2载体的制备过程如下，（A）以钛的无机盐或有机盐中的一种或二种以上为前驱体，采用沉淀法或溶胶-凝胶方法制得Ti(OH)4；（B）400-650oC温度下，将步骤（A）得到的Ti(OH)4焙烧2-4h，得到TiO2载体。4.根据权利要求3所述的低温制备方法，其特征在于：步骤（A）中沉淀法制备Ti(OH)4的具体过程为：将钛的有机盐溶于无水乙醇中或将钛的无机盐溶于水中充分搅拌，钛的有机盐与无水乙醇的体积比范围为1：2-1：10，钛的无机盐于水中的摩尔浓度范围为0.2-2mol/L，再缓慢滴加氨水调节pH=8-10，继续搅拌4-24h，将沉淀过滤并分别用去离子水和无水乙醇洗涤2-4次，在80-120oC下烘干，即制得T...

【专利技术属性】
技术研发人员：张静，吴维成，张阳阳，储刚，罗根祥，阎松，
申请(专利权)人：辽宁石油化工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21