一种纳米氮化钛基复合光催化材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种纳米氮化钛基复合光催化材料及其制备方法和应用，属于无机非金属纳米材料制备、环境保护技术与太阳能利用技术领域。该纳米氮化钛基复合光催化材料通过对纳米级别的氮化钛颗粒进行可控的表面氧化，形成以纳米氮化钛为核、二氧化钛为壳的复合光催化材料。所述纳米氮化钛基复合光催化材料具有可调的光吸收特性，可以直接用于解决可见光下有机物的分解、微生物病原体的灭活和太阳能高效利用的问题，特别是单成分光催化材料光催化效率低的难题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无机非金属纳米材料制备、环境保护技术与太阳能利用
，具体为一种纳米氮化钛基复合光催化材料及其制备方法和应用。
技术介绍
能源危机及环境污染是当今时代人类所面临的两大难题，光催化技术因为能有效利用太阳能，几乎可以将任何有机分子氧化，矿化为二氧化碳和无机离子，在降解水中的有机污染物，杀灭水中细菌、病毒等微生物方面受到人们的广泛关注。在众多的光催化材料中，一些宽禁带的n型半导体如二氧化钛、氧化锌、氧化锡等因低毒、廉价、稳定性高和环境友好型等特点被广泛的应用于光解水制氢、太阳能电池和环境修复等领域。提高光催化材料的效率，核心问题在于拓宽光催化材料的光吸收范围和提高电子-空穴对的分离效率。其中在n型半导体光催化材料中引入具有表面等离子体效应的组分被认为是能很好提高材料光催化效率的一个重要手段。常用的具有表面等离子体效应的材料组分，往往都是一些贵金属，如Au、Ag、Pt、Pd等，这些材料价格都较为昂贵并且在空气中会被缓慢氧化，因此寻找新的具有表面等离子体效应的高效光催化材料是纳米
、环境保护领域以及太阳能利用领域一个十分重要的研究方向。氮化钛、特别是纳米氮化钛材料具有与Au相类似的光电特性，故可以作为一种替代贵金属Au的组分而引入到光催化材料体系。所以开发一种纳米氮化钛为基的复合光催化材料，从而进一步研究该类复合材料在光催化净水领域的应用，是制备高效光催化材料的一个重要方向。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种纳米氮化钛基复合光催化材料及其制备方法和应用，利用纳米氮化钛材料特有的光电特性(与金类似，具有表面局域等离子体效应)，替代原有光催化复合材料体系中的贵金属组分，开发出以低维纳米结构的氮化钛为核，氧化法原位生成二氧化钛壳层的复合光催化材料。该复合材料可以直接应用于解决水中有机物降解、微生物病原体的灭活和太阳能高效利用的问题。本专利技术的技术方案是：一种纳米氮化钛基复合光催化材料，其为核壳结构，是以氮化钛为核、二氧化钛为壳的纳米复合材料；其中，氮化钛和二氧化钛的重量比例为5-95％。所述光催化材料的氮化钛内核为尺寸小于1000nm的球状、多面体状、片状或线状低维纳米结构，二氧化钛壳层为连续的或非连续的。所述光催化材料具有可调的光学特性，能够实现材料从紫外到红外波段的光吸收。本专利技术光催化材料是由低维纳米结构的氮化钛通过可控氧化工艺外延生长二氧化钛壳层获得，其氧化工艺可为物理氧化法或湿化学氧化法。当该光催化材料采用物理氧化法制备时，制备过程包括如下步骤：(1)按1-5mg/cm2的比例，将纳米氮化钛粉末均匀铺放于坩埚底部；(2)将坩埚放置入温度为350～500℃的反应炉保温，在含氧气氛下，保温时间5-60min；所述含氧气氛为纯氧气氛或含有氧气的混合气氛；(3)将坩埚取出空冷，待冷却至室温后收集，获得纳米氮化钛基复合光催化材料。当该光催化材料采用湿化学氧化法制备，制备过程包括如下步骤：(1)按1-3mg/mL的比例将纳米氮化钛粉末超声分散到浓度为1-30wt.％的H2O2溶液中；(2)将溶液转移到50mL容积的聚四氟乙烯内衬的反应釜中，密封后置于烘箱，在110-180℃温度下，反应1-12h；(3)取出反应釜空冷到室温，将所得沉淀反复离心和去离子水冲洗，在60℃温度下干燥10-24h，获得纳米氮化钛基复合光催化材料。本专利技术光催化材料可直接用于可见光下有机物的降解或微生物病原体的灭活。本专利技术的设计原理如下：本专利技术利用纳米氮化钛材料特有的光电特性(与金类似，具有表面局域等离子体效应)，替代原有光催化复合材料体系中的贵金属组分，作为光捕获的主要组分。同时以纳米氮化钛为核，通过氧化法表面原位生成二氧化钛的壳来制备复合材料。该系列复合材料可通过控制氧化过程的工艺参数，来达到调控两相的比例以及壳层的厚度的目的，进而获得具有不同光响应的复合材料。特别是具有表面等离子体效应的组分(氮化钛)被很好的包覆于宽禁带n型半导体(二氧化钛)中，这就使得被激发的电子能很好的迁移、扩散到半导体中，实现太阳能的吸收、转化。本专利技术的优点在于：1.本专利技术通过简单的氧化法制备复合材料，该复合过程操作简单，易于控制，易于工业化生产。2.本专利技术采用的氧化法能可控的原位生长二氧化钛壳层，从而调节复合材料体系的光学特性。3.本专利技术所得的纳米氮化钛基复合光催化材料，原位氧化生成壳层，故复合结构稳定、牢靠，良好的复合和界面保障了电子的有效迁移，同时避免了其他复合材料在服役过程中各组分容易脱落分离的问题。4.本专利技术所得的纳米氮化钛基复合光催化材料能直接应用于太阳光下有机物的净化降解和微生物病原体的灭活。附图说明：图1为本专利技术纳米氮化钛基复合光催化材料XRD图。图2为本专利技术获得的纳米氮化钛基复合光催化材料的光吸收图。图3为本专利技术实施例2中样品2的TEM图片。图4为本专利技术实施例2中样品2在可见光下对有机染料的光催化降解效果图。图5为本专利技术实施例2中样品2在可见光下对大肠杆菌的光催化灭活效果图。具体实施方式：以下结合附图及实施例详述本专利技术。本专利技术纳米氮化钛基复合材料为核壳结构，是以纳米氮化钛为核，通过氧化法在其表面原位生成二氧化钛的壳来制备复合材料，其氧化工艺可为物理和湿化学氧化法。实施例11).按5mg/cm2的比例，将纳米氮化钛粉末均匀铺放于坩埚底部；2).将坩埚放置入温度为400℃的反应炉保温，在含氧气氛下(氧气含量20vol.％)，保温60min；3).将坩埚取出空冷，待冷却至室温后收集，获得纳米氮化钛基复合材料，标记为样品1。实施例21).按5mg/cm2的比例，将纳米氮化钛粉末均匀铺放于坩埚底部；2).将坩埚放置入温度为450℃的反应炉保温，在含氧气氛下(氧气含量20vol.％)，保温15min；3).将坩埚取出空冷，待冷却至室温后收集，获得纳米氮化钛基复合材料，标记为样品2。实施例31).按5mg/cm2的比例，将纳米氮化钛粉末均匀铺放于坩埚底部；2).将坩埚放置入温度为500℃的反应炉保温，在含氧气氛下(氧气含量20vol.％)，保温时间5min；3).将坩埚取出空冷，待冷却至室温后收集，获得纳米氮化钛基复合材料，标记为样品3。实施例41).按1.5mg/mL的比例将纳米氮化钛粉末超声分散到浓度为1wt.％的H2O2溶液中超声5min；2).将溶液转移到50mL容积的聚四氟乙烯内衬的反应釜中，密封后置于烘箱，在150℃温度下反应6h；3).取出反应釜空冷到室温。所得沉淀反复离心和去离子水冲洗，在60℃温度下干燥10h，获得纳米氮化钛基复合材料，标记为样品4。实施例5选择样品2进行有机染料罗丹明B的降解实验：1).称取所得纳米氮化钛基复合光催化材料样品0.01g，加入到50mL浓度为5mg/L的亚甲基蓝溶液中，超声分散10min，然后在黑暗条件下搅拌30min；2).达到吸附平衡后，打开加了滤光片(λ>400nm)的光源照射，间隔不同时间取样5mL，在高速离心机上以12000r/min的转速离心处理，取上清液；3).利用紫外分光光度计测量其光吸收变化，以此表征材料的可见光催化降解性能。实施例6选择样品2进行大肠杆菌的灭活实验：称取获得的材料10mg，分散到10mL的含有107cfu/m本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米氮化钛基复合光催化材料，其特征在于：该光催化材料为核壳结构，其是以氮化钛为核、二氧化钛为壳的纳米复合材料；其中，氮化钛和二氧化钛的重量比例为5‑95％。

【技术特征摘要】
1.一种纳米氮化钛基复合光催化材料，其特征在于：该光催化材料为核壳结构，其是以氮化钛为核、二氧化钛为壳的纳米复合材料；其中，氮化钛和二氧化钛的重量比例为5-95％。2.根据权利要求1所述的纳米氮化钛基复合光催化材料，其特征在于：所述光催化材料的氮化钛内核为尺寸小于1000nm的球状、多面体状、片状或线状低维纳米结构，二氧化钛壳层为连续的或非连续的。3.根据权利要求1所述的纳米氮化钛基复合光催化材料，其特征在于：所述光催化材料具有可调的光学特性，能够实现材料从紫外到红外波段的光吸收。4.根据权利要求1所述的纳米氮化钛基复合光催化材料的制备方法，其特征在于：该光催化材料是由低维纳米结构的氮化钛通过氧化工艺外延生长二氧化钛壳层获得。5.根据权利要求4所述的纳米氮化钛基复合光催化材料的制备方法，其特征在于：该光催化材料采用物理氧化法制备，制备过程包括如下步骤：(1)按1-5mg/cm2的比例，将纳米氮化钛粉末均匀铺放于坩埚底部；(2)将坩埚放置入温度为350～500℃的反应炉保温，在含氧气氛下，保温时间5-60m...

【专利技术属性】
技术研发人员：李琦，尚建库，杨炜沂，李超，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21