高活性非金属离子共掺杂二氧化钛光催化剂的制备方法技术

为利用光催化技术降解水和大气中的污染物，本发明专利技术公开了一种高活性非金属离子共掺杂二氧化钛光催化剂的制备方法。该催化剂以钛酸酯或钛酸盐为前驱体，以含硼、碳、氮、氟、硅、磷、硫、氯、溴、碘等非金属化合物为掺杂剂，采用溶胶凝胶法制备高活性非金属离子共掺杂二氧化钛光催化剂。与纯二氧化钛和非金属离子单掺杂的二氧化钛催化剂相比，该催化剂降解对氯苯酚的可见光催化活性大幅提高，而且紫外光催化活性也已超过了纯二氧化钛催化剂。本发明专利技术还具有制备工艺简单，对设备要求低；产品粒径小，比表面积较大，分散性好等优点，在环境净化科学领域有着广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光催化
，主要应用于环境净化，为利用光催化技术 降解水和大气中的污染物提供了一种制备具有两种非金属元素共掺杂的高 活性的二氧化钛光催化剂的方法。
技术介绍
当今世界能源危机和环境恶化迫使人们寻找更清洁、可再生的新能源和 治理环境的新方法。二氧化钛具有稳定性好、光电转换效率和光催化活性高 等特点，不但能作为光催化剂无选择性地降解有机污染物和去除过渡金属离 子，而且是表面敏化太阳能电池的光导材料，在环境治理和清洁能源的研究 领域具有广泛的的应用前景。但是，纯Ti02 (锐钛矿型)的禁带宽度为3.2eV (387.5nm)，只能吸收 太阳光中的紫外光部分(仅占太阳光的4%)，光谱响应范围窄，对太阳能 的有效利用率低。近年来，人们为提高Ti02可见光响应和光催化活性做出了 许多努力，其中最主要的途径之一就是Ti02的金属或非金属离子掺杂。2001 年，Asahi等人在《科学》杂志(Science, 2001, 293:269-217)上报道了氮离子 掺杂的Ti02可见光催化剂具有较高的紫外-可见光催化活性，该研究结果证 明，非金属离子掺杂(如N、 C、 S、 B和F等)可以增加Ti02催化剂可见光的 吸收，有效地提高Ti02催化剂的紫外-可见光催化效率，从而在国内外引起 了人们的高度关注。相关专利已有报道，如具有可见光响应的光催化剂及 其制备方法和应用(申请号03158740.2);高效二氧化钛光催化剂制备方 法(申请号200410081226.5); —种氮惨杂锐钛矿型纳米二氧化钛的制备 方法(申请号200510011665.3); —种制备掺杂中孔纳米氧化钛光催化剂 的方法(申请号200610134927.X);阳离子S和阴离子N双掺杂一维纳米 结构Ti02光催化剂及其制备方法(申请号200710071317.4); —种负载型 氮掺杂一维结构Ti02及其制备方法(申请号200810059650.8)。金属或非金属离子掺杂的Ti02催化剂，在禁带宽度内形成掺杂能级，一定程度上扩展了Ti02的光响应范围，导致可见光催化能力增强，但是紫外-可见光催化效率仍然不高，达不到实际应用的要求，而且制备方法程序复杂， 不易操作，成本或设备要求高等。本专利技术旨在解决二氧化钛光催化剂的太阳能利用率低和可见光催化效 率低等关键性难题，已研制出"高活性非金属离子共掺杂二氧化钛 (Ti02_x_yAxMy)光催化剂"，并建立了制备"高活性非金属离子共掺杂二 氧化钛(Ti02-x-yAxMy)光催化剂"的新方法，而且制备方法简单、易操作、 成本和设备要求低。本专利技术将为实现二氧化钛催化剂的高效率、高性能和在 环境治理领域的实际应用奠定基础。
技术实现思路
本专利技术以钛酸酯或钛酸盐为前驱体，以非金属化合物为掺杂剂，用溶胶 凝胶法制备高活性非金属离子共掺杂二氧化钛光催化剂。本专利技术的优点在 于(l)工艺简单，对设备要求低，易操作；(2)产品粒径较小，比表面积较大， 分散性好；(3)制备出的高活性非金属离子共掺杂的二氧化钛(Ti02.x.yAxMy) 光催化剂具有双相共掺杂、微观表面多元结构等特点，而且与纯Ti02和单掺 非金属离子Ti02相比，可见光响应获得极大增强，有效地提高了紫外一可见 光催化活性(比纯Ti02的可见光催化活性提高了7.6倍，比单掺N离子的Ti02 可见光催化剂高1.9倍；且紫外光催化活性也超过了纯Ti02催化剂)。本专利技术的创新点(1)通过两种非金属离子共掺杂，使Ti02基催化剂的 禁带宽度内分别产生双相掺杂能级，与纯Ti02和单掺非金属离子的Ti02相 比，双相掺杂能级的产生导致了催化剂可见光吸收的显著增强，从而提高了 Ti02可见光催化活性。(2)由于两种非金属元素的协同作用和双相掺杂能级 的存在，增强了光生载流子分离，抑制其复合，提高了光生载流子参加光催 化反应的几率，有效降解了污染物分子。所以该催化剂具有很高的紫外-可 见光催化活性。附图说明图l实施例3、 6的X射线衍射图谱(与纯TK)2、单掺N的Ti02和单掺B 的TiQ2比较)；图2实施例3、 6的可见光催化降解对氯苯酚曲线(与无光催化剂Ti02、 纯Ti02、单掺N的Ti02和单掺B的Ti02比较)；图3实施例3、 6的紫外光催化降解对氯苯酚曲线(与无光催化剂Ti02、 纯Ti02、单掺N的Ti02和单掺B的Ti02比较)；以下结合具体实施例和附图对本专利技术做进一步描述，并具体说明本专利技术 的光催化效果。具体实施方式本专利技术的具体制备方法如下1.高活性非金属离子共掺杂二氧化钛(Ti02.x.yAxMy)光催化剂的制备①在常温下，将一定量的含非金属元素A的化合物加入稀释剂，充分搅 拌15分钟使其完全溶解；②加入酸化剂；③将钛酸酯或钛酸盐加入稀释剂， 均匀搅拌15分钟；④加入一定量的含非金属元素M的化合物，在室温下充分均匀剧烈搅拌6-12小时，静置陈化l-5天，得到纳米Ti02凝胶或沉淀物；⑤将 该凝胶或沉淀物经70'C-12(TC烘干，研磨成粉末，在空气气氛中40(TC-50(TC 煅烧2.0-4.0小时，即制得高活性非金属离子共掺杂二氧化钛(Ti02.x—yAxMy) 光催化剂。2、 为进行活性对比，在实施过程中分别制备了纯二氧化钛(Ti02-pure)、 单掺氮的二氧化钛(Ti02-N)和单掺硼的二氧化钛(Ti02-B)三个对比样品(1) Ti02-pure催化剂的制备制备步骤与TiOh—yAxMy相似，只是未加入任何非金属化合物，且在第 ②步中，向体系加入酸性催化剂后再滴加定量的高纯水(18.2MQ.cm—1)。(2) TKVN催化剂的制备制备步骤与TiOh—yAxMy相似，只是在第①步不加入非金属^七合物，而 在第③步中加入一定量的含氮化合物。(3) TiCVB催化剂的制备制备步骤与Ti02_x_yAxMy相似，只是在第①步加入 一 定量的含硼化合物， 而在第③步中不加入非金属化合物。3、 以上制备过程中，各种反应物的加入量为 非金属化合物与钛酸酯或钛酸盐的摩尔比为1 : 20—10 : 1;稀释剂与钛酸酯或钛酸盐的体积比为2 : 1—10 : 1; 酸化剂与钛酸酯的体积比为1:30—1:4。所述钛酸酯或钛酸盐可以为钛酸四丁酯、钛酸丙酯、钛酸异丙酯、钛酸 乙酯、钛酸四乙酯、异丙醇钛、硫酸钛、三氯化钛、四氯化钛、硝酸钛或偏 钛酸中的任何一种或几种混合；优选钛酸四丁酯。所述稀释剂可以为碳原子数不多于4的一元或二元醇，如甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、乙二醇、四丁醇中的任何一种或几种混合；也可以是丙酯、醋酸乙酯、醋酸丁酯等有机溶剂的任何一种或几种混合；优选无水乙醇。所述酸化剂可以为盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、冰醋酸、高氯酸中的任何一种或几种混合；优选盐酸(分析纯)。所述非金属元素可以为硼、碳、氮、氟、硅、磷、硫、氯、溴、碘等。所述非金属化合物可以为元素B、 C、 N、 F、 Si、 P、 S、 Cl、 Br、 I中含任一元素的可溶于上述稀释剂的非金属化合物中的一种或几种混合。所述含硼化合物可以为硼酸、硼酸三乙酯、硼酸三甲酯、氟硼酸、三氟化硼-乙酸络合物中的任何一种或几种混合。所述含碳化合物可以为葡萄糖、尿素、四丁基氢氧化铵中的任何一种 或几种混合本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高活性非金属离子共掺杂二氧化钛光催化剂的制备方法。该催化剂以钛酸酯或钛酸盐为前驱体，以非金属化合物为掺杂剂，用溶胶凝胶法制备高活性非金属离子共掺杂二氧化钛光催化剂。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曹亚安，袁继翔，王恩君，龙绘锦，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]