一种太阳能光解水制氢用氧化钛催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种太阳能光解水制氢用氧化钛催化剂，所述氧化钛催化剂粉体材料的组成为：二氧化钛98.00～99.88wt％、三氧化钨0.1～1wt％、碳0.01～1wt％、氮0.01～1wt％。此外，还公开了上述太阳能光解水制氢用氧化钛催化剂的制备方法。本发明专利技术光催化剂为W‑N‑C三元共掺杂TiO2光催化剂材料，不但可以减小TiO2禁带宽度，而且可有效促进光生电子的迁移，提高TiO2量子效率，具有可见光响应、高效稳定的优异性能，能够有效提高并保证光解水制氢活性和制氢效率。本发明专利技术工艺简单，便于操作，有利于推广和应用，从而有助于促进光解水制氢技术的发展。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光催化材料
，尤其涉及一种太阳能光解水制氢用氧化钛催化剂及其制备方法。
技术介绍
二氧化钛(TiO2)作为重要的新能源和环境保护材料，可应用于光催化、太阳能发电、太阳能集热等领域。然而，TiO2在太阳能利用方面面临巨大的挑战，主要原因在于其光吸收范围窄(～5％的紫外光)、电子-空穴对的分离效率低等。为提高对可见光的利用率，研制新型高效可见光响应的光解水制氢用TiO2催化剂材料具有重要意义。目前，现有技术采用了多种方法发展TiO2光解水制氢技术，如半导体复合、有机染料敏化和离子掺杂等。尽管前两种方法均可提高TiO2可见光响应范围及其光解水制氢活性，但是其采用的窄带隙半导体和有机染料等存在着易氧化、使用寿命短、不稳定等缺陷。通过离子掺杂在TiO2禁带中产生杂质能级，使得宽禁带TiO2半导体具有可见光活性，但是过渡金属离子或非金属离子单掺杂，分别在TiO2导带下方或价带上方形成不连续的杂质能级，由于较高的电子空穴复合率，其光化学活性依然很低。为此，寻找高效稳定、环境友好的可见光响应的光解水制氢TiO2催化剂已成为当前研究的重要前沿方向。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高效稳定的太阳能光解水制氢用氧化钛催化剂，以有效提高并保证光解水制氢活性和制氢效率，从而促进光解水制氢技术的发展。本专利技术的另一目的在于提供上述氧化钛催化剂的制备方法。本专利技术的目的通过以下技术方案予以实现：本专利技术提供的一种太阳能光解水制氢用氧化钛催化剂，所述氧化钛催化剂粉体材料的组成为：二氧化钛98.00～99.88wt％、三氧化钨0.1～1wt％、碳0.01～1wt％、氮0.01～1wt％。本专利技术为W-N-C三元共掺杂TiO2光催化剂粉体材料，具有可见光响应、高效稳定的优异性能。上述方案中，本专利技术所述掺杂的三氧化钨、碳、氮均位于氧化钛粉体颗粒表面；所述碳、氮均以间隙形式掺入氧化钛晶格中，所述三氧化钨以置换形式掺入氧化钛中。本专利技术所述氧化钛为锐钛矿相，其粉体颗粒呈球形，粒度为10～20nm。本专利技术的另一目的通过以下技术方案予以实现：本专利技术提供的上述太阳能光解水制氢用氧化钛催化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)将0.05mol钛源加入10ml冰水溶液中，搅拌下加入12～15ml浓氨水溶液，形成沉淀，真空过滤、洗涤后，得到富含氨的钛酸Ti(OH)4；(2)向所述钛酸Ti(OH)4中加入三氧化钨掺杂源、碳掺杂源，所述三氧化钨掺杂源、碳掺杂源的用量分别为钛酸Ti(OH)4的0.1～1wt％、0.01～1wt％，然后加入纯水，经超声分散而形成悬浊液；(3)将所述悬浊液移入马弗炉内焙烧至400～450℃，保温1～2h，即得到W-N-C共掺氧化钛催化剂粉体材料。进一步地，本专利技术制备方法所述钛源为四氯化钛、钛酸丁酯或异丙醇钛。所述三氧化钨掺杂源为钨酸钠、钨酸铵或仲钨酸铵。所述碳掺杂源为二氰二胺或葡萄糖。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术光催化剂为W-N-C三元共掺杂TiO2光催化剂材料。当N-C二元共掺杂TiO2时，C掺杂能有效促进N杂质能级与TiO2价带本征能级的交叠(价带上移)，同时N-C共掺可在TiO2导带下方形成连续的杂质态，能有效促进电子的迁移；由于WO3与TiO2能级结构相似，且钨杂质能级位于TiO2导带下方，通过W-N-C三元共掺杂，不但可以减小TiO2禁带宽度(2.4eV)，而且可有效促进光生电子的迁移，提高TiO2量子效率，具有可见光响应、高效稳定的优异性能，在400mW/cm2可见光照射下其光解水产氢速率达到10～12mmolg-1h-1。此外，本专利技术工艺简单，便于操作，有利于推广和应用。附图说明下面将结合实施例和附图对本专利技术作进一步的详细描述：图1是本专利技术实施例所制得氧化钛催化剂粉体材料的X-射线晶体衍射图；图2是本专利技术实施例所制得氧化钛催化剂粉体材料的扫描电镜图；图3是图2相应的微区能谱图；图4是本专利技术实施例所制得氧化钛催化剂粉体材料的透射电镜图；图5是图4相应的微区能谱图；图6是本专利技术实施例所制得氧化钛催化剂粉体材料和现有技术商用P25粉紫外可见吸收光谱对照图(W-N-CcodopedTiO2：本专利技术实施例氧化钛催化剂粉体；undopedTiO2：现有技术商用P25粉)；图7是本专利技术实施例所制得氧化钛催化剂粉体材料的X射线光电子能谱图。具体实施方式实施例一：本实施例一种太阳能光解水制氢用氧化钛催化剂，其步骤如下：(1)将9.5克(0.05mol)TiCl4滴入10ml冰水溶液中，搅拌下加入15ml浓氨水溶液(含氨25～28％)，形成沉淀，真空过滤、反复洗涤后，得到富含氨的钛酸Ti(OH)4；(2)向上述钛酸Ti(OH)4沉淀中加入0.0165克钨酸钠、0.05克二氰二胺，然后加100ml纯水，经超声分散10min而形成悬浊液；(3)将上述悬浊液移入马弗炉内焙烧至400℃，保温1h，即得到氧化钛催化剂粉体材料。本实施例制得的氧化钛催化剂粉体材料的组成为：二氧化钛99.53wt％、三氧化钨0.4wt％、碳0.03wt％、氮0.04wt％。实施例二：本实施例一种太阳能光解水制氢用氧化钛催化剂，其步骤如下：(1)将9.5克(0.05mol)TiCl4滴入10ml冰水溶液中，搅拌下加入12ml浓氨水溶液(含氨25～28％)，形成沉淀，真空过滤、反复洗涤后，得到富含氨的钛酸Ti(OH)4；(2)向上述钛酸Ti(OH)4沉淀中加入0.016克钨酸铵及0.04克二氰二胺，然后加入100ml纯水，经超声分散10min而形成悬浊液；(3)将上述悬浊液移入马弗炉内焙烧至400℃，保温1h，即得到氧化钛催化剂粉体材料。本实施例制得的氧化钛催化剂粉体材料的组成为：二氧化钛99.55wt％、三氧化钨0.4wt％、碳0.02wt％、氮0.03wt％。实施例三：本实施例一种太阳能光解水制氢用氧化钛催化剂，其步骤如下：(1)将9.5克(0.05mol)TiCl4滴入10ml冰水溶液中，搅拌下加入15ml浓氨水溶液(含氨25～28％)，形成沉淀，真空过滤、反复洗涤后，得到富含氨的钛酸Ti(OH)4；(2)向上述钛酸Ti(OH)4沉淀中加入0.02克钨酸铵及0.04克葡萄糖，然后加入100ml纯水，经超声分散10min而形成悬浊液；(3)将上述悬浊液移入马弗炉内焙烧至450℃，保温1h，即得到氧化钛催化剂粉体材料。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太阳能光解水制氢用氧化钛催化剂，其特征在于所述氧化钛催化剂粉体材料的组成为：二氧化钛98.00～99.88wt％、三氧化钨0.1～1wt％、碳0.01～1wt％、氮0.01～1wt％。

【技术特征摘要】
1.一种太阳能光解水制氢用氧化钛催化剂，其特征在于所述氧化钛催化剂粉体
材料的组成为：二氧化钛98.00～99.88wt％、三氧化钨0.1～1wt％、碳0.01～1wt％、
氮0.01～1wt％。
2.根据权利要求1所述的太阳能光解水制氢用氧化钛催化剂，其特征在于：所
述掺杂的三氧化钨、碳、氮均位于氧化钛粉体颗粒表面；所述碳、氮均以间隙形式
掺入氧化钛晶格中，所述三氧化钨以置换形式掺入氧化钛中。
3.根据权利要求1所述的太阳能光解水制氢用氧化钛催化剂，其特征在于：所
述氧化钛为锐钛矿相，其粉体颗粒呈球形，粒度为10～20nm。
4.权利要求1-3之一所述太阳能光解水制氢用氧化钛催化剂的制备方法，其特
征在于包括以下步骤：
(1)将0.05mol钛源加入10ml冰水溶液中，搅拌下加入12～15ml浓氨水溶液，
形成沉淀，真空过...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵学国，王艳香，黄丽群，
申请(专利权)人：景德镇陶瓷大学，
类型：发明
国别省市：江西;36