一种TiO2-SiO2可见光光催化复合薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种TiO2‑SiO2可见光光催化复合薄膜的制备方法，其特征在于，具体包括：(1)将正硅酸乙酯溶于醇中，加入含铵盐水溶液，加入盐酸调节溶液的pH至1～3，室温搅拌得到溶液A；(2)将钛酸四丁酯与醇混合，室温搅拌得到溶液B；(3)将溶液B滴加到A溶液中，加入铁盐得到溶液C，在温度10～90℃下进行反应，得到透明溶胶；(4)向透明溶胶中加入聚乙二醇，在室温下搅拌，得到镀膜溶胶；(5)镀膜溶胶在衬底上成膜，所得薄膜干燥后立即转入55～100℃的水中进行反应，反应后将薄膜取出烘干，即得TiO2‑SiO2可见光光催化复合薄膜。还公开了一种由上述方法制备得到的TiO2‑SiO2可见光光催化复合薄膜。本技术方案在低温下实现了二氧化钛的结晶和铁、氮掺杂TiO2‑SiO2。

A TiO2 SiO2 visible light photocatalytic composite film and preparation method thereof

The invention discloses a preparation method of TiO2 SiO2 visible light photocatalytic composite film, characterized by including: (1) the TEOS soluble in alcohol, containing ammonium salt solution, hydrochloric acid is added to the pH of the solution was adjusted to 1 ~ 3, stirring at room temperature to obtain solution A (2; four) titanate butyl alcohol mixed solution, stirring at room temperature by B; (3) the solution B is added into a A solution, adding FeC13 solution C, at a temperature of 10 DEG to 90 DEG C for reaction to obtain transparent sol; (4) adding polyethylene glycol to the transparent sol, stirring at room temperature. The obtained coating (5) sol sol; coating film on the substrate, the film after drying immediately transfer to 55 to 100 DEG C water reaction, after the reaction will remove the film drying, which was TiO2 SiO2 visible light photocatalytic composite films. Also disclosed is a prepared TiO2 SiO2 visible light photocatalytic composite film by the method. This method can realize the crystallization of titania and iron and nitrogen doped TiO2 SiO2 at low temperature.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于纳米材料科学、光催化化学领域，具体涉及一种TiO2-SiO2可见光光催化复合薄膜及其制备方法。
技术介绍
随着社会的发展和人们生活水平的不断提高，环境、能源问题已成为人类亟待解决的热点问题。近年来半导体光催化以其潜在的优势被应用于许多领域，比如环境修复、水空气净化和产氢等领域。TiO2半导体光催化氧化技术因其具有光催化效率高、能耗低、操作简便、反应条件温和、适用范围广、良好的稳定性、无二次污染等突出优点而成为科研工作者的研究热点。半导体光催化剂TiO2由于无毒、价廉、稳定性高和优异的光电性能而引起了人们的广泛关注。但也存在制约二氧化钛实际应用的各种瓶颈问题。首先，由于二氧化钛催化剂粉末在实际应用中存在分离困难、不易回收等缺点。为了克服此缺点，研究工作者进行了大量二氧化钛薄膜的研究，通过物理法制备的薄膜成本较高，难以实现大规模应用。通过化学法制备的薄膜大部分都要经过后续退火处理限制了其在柔性衬底上的应用。其次，二氧化钛是一种典型的n型半导体材料，被广泛应用于光催化领域。但由于其禁带宽度(Ebg＝3.2eV)较大，所以其光催化活性只限制在光子能量较高的紫外光区。然而太阳光的大部分能量(＞70％)都集中在可见光区，为了能够充分利用太阳能大量科研工作者对二氧化钛做了大量的研究改性，其中一种方法就是通过元素掺杂形成中间能带，起到窄化带隙能的作用使其可以吸收更多可见光，例如通过非金属(C、N、F、S和B等)掺杂，金属离子(Fe3+、Ce3+、Ag+、和Co3+等)掺杂。有的通过贵金属沉积和染料敏化等改性研究。公开号为CN103127924A的中国的专利技术专利文献公开了一种TiO2-SiO2可见光复合光催化剂的制备方法，具体包括将钛酸四丁酯与正硅酸乙酯分别溶于无水乙醇，然后再通过添加乙酸铵和C微球，最后制得黑色悬浮液并将其在高压反应釜中水热反应，最后将得到的产物煅烧得到所需催化剂。首先其制备的催化剂是粉末状在实际应用当中不易回收易造成二次污染，其次需要在高压反应釜中水热反应并需经后续退火处理。其反应条件较为苛刻并要在高温下退火处理。公开号为CN1273214C的中国专利技术专利文献公开一种可见光响应型二氧化钛光催化剂的制备方法，分别以钛酸酯和正硅酸乙酯为原料，以盐酸为催化剂，在醇和水溶液中发生水解和缩合反应，得到含SiO2的TiO2凝胶，将凝胶热处理后得到的二氧化钛粉体，将二氧化钛粉体在550～700℃的氨气中进行氮化热处理，得到淡黄色含氮二氧化钛光催化剂。该制备过程同样需要经过高温处理。公开号为CN102718411A的中国专利技术专利文献公开一种自然超亲水性多孔TiO2/SiO2复合薄膜及其制备方法，其制备的薄膜也需要煅烧冷却得到最终薄膜，限制了其在耐热性差的柔性衬底上的应用。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术的目的是提供一种TiO2-SiO2可见光光催化复合薄膜及其制备方法，该制备方法简单，低温下实现了铁、氮掺杂TiO2-SiO2，仪器设备等条件要求低，适合大规模生产。本专利技术方法制得的TiO2-SiO2复合薄膜在可见光波段有良好的响应，对有机物具有良好的催化降解效果。一种TiO2-SiO2可见光光催化复合薄膜的制备方法，具体包括：(1)将正硅酸乙酯(TEOS)溶于醇中，加入铵盐水溶液，加入盐酸调节溶液的pH至1～3，室温搅拌得到溶液A；(2)将钛酸四丁酯(TBOT)与醇混合，室温搅拌得到溶液B；(3)将溶液B滴加到A溶液中，加入铁盐得到溶液C，在温度10～90℃下进行反应，得到透明溶胶；(4)向透明溶胶中加入聚乙二醇，在室温下搅拌，得到镀膜溶胶；(5)镀膜溶胶在衬底上成膜，所得薄膜干燥后立即转入55～100℃的水中进行反应，反应后将薄膜取出烘干，即得铁、氮掺杂的TiO2-SiO2可见光光催化复合薄膜。步骤(1)中，所述醇为甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、正己醇或环己醇中的一种，作为优选，所述醇为乙醇，乙醇为最普遍及常见的醇溶剂，其价格低廉、无毒性。步骤(1)中，所述铵盐为氯化铵、硝酸铵或硫酸铵中的一种。步骤(1)中，所述正硅酸乙酯与醇的摩尔比为1:5～10。步骤(1)中，所述铵盐水溶液中，铵盐和水的摩尔比为0.1～10：100。步骤(1)中，所述搅拌的时间为10～60min。步骤(2)中，所述的醇为甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、正己醇和环己醇中的至少一种，作为优选，所述的醇为乙醇。步骤(2)中，所述钛酸四丁酯与醇的摩尔比为1:15～25。步骤(2)中，所述搅拌的时间为10～60min。步骤(3)中，所述铁盐为硝酸铁、氯化铁或硫酸铁中的一种。步骤(3)中，所述溶液C中，正硅酸乙酯、钛酸四丁酯、铵盐、铁盐的摩尔比为20～500:100：0.01～50：0.01～20。二氧化钛的禁带宽度较大，在体系中加入铵盐和铁盐的目的是对二氧化钛进行掺杂，通过掺杂形成中间能带，起到窄化带隙能的作用，使材料可以吸收更多可见光。铵盐和铁盐的加入量对制备得到的复合薄膜的催化性能有重要影响，加入量过多时，体系的平衡会被打破，铵盐会以固体的形式析出。步骤(3)中，所述反应的时间为0.1～12h。作为优选，所述反应的时间为10～180min。反应时间过长，则溶胶粘度过大，不利于在后续步骤中均匀成膜；反应时间过短，则溶胶粘度过小，掺杂离子无法均匀分布在溶胶中，也不利于在后续步骤中均匀成膜。步骤(3)中，所述反应温度为10～90℃。作为优选，所述反应温度为25～80℃。在较高温度下，离子的运动速度加快，有利于掺杂离子均匀分散到溶胶当中，进而有利于掺杂离子在后续处理过程掺在二氧化钛的晶格当中，但温度过高体系平衡很容易被打破，同时会导致溶胶粘度过大，进而不利于成膜；温度过低则不利于掺杂离子均匀分散到溶胶当中，也使得溶胶的粘度不够，进而不利于均匀成膜。步骤(4)中，所述聚乙二醇的投加量为透明溶胶中正硅酸乙酯和钛酸四丁酯质量总和的0.5～3倍。向透明溶胶中加入聚乙二醇，一方面增加溶胶的粘度，另一方面，在后续处理过程聚乙二醇从薄膜内部析出有利于形成多孔薄膜，从而增加薄膜的比表面积，也有利于二氧化钛在整个薄膜中均匀结晶。步骤(4)中，所述搅拌的时间为0.5～24h。步骤(5)中，所述成膜的方式为提拉、涂覆、旋涂或滚涂中的一种。步骤(5)中，所述干燥的温度为65～100℃。步骤(5)中，所述反应的时间为0.1～24h。在此时间范围内二氧化钛已基本实现完全结晶，并且孔状薄膜也已得到，如果时间过长薄膜会更多的溶于水当中而破坏其孔状结构。作为优选，所述反应的时间为0.5～6h，能够得到完全结晶的孔状薄膜。所述反应的目的是使二氧化钛结晶，使薄膜致密化，变为多孔薄膜，在水中进行反应可以使Si-O-Ti键水解。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术的整个制备过程均在低于100℃条件下进行，有利于其在耐热性差的柔性衬底上的应用。(2)原料来源广泛，价格相对低廉，反应条件非常温和，步骤简单、操作简便，无污染。(3)本专利技术制备TiO2-SiO2复合薄膜在可见光(>420nm)下催化效果非常明显，并且薄膜具有良好的吸附性，在反应过程中可循环使用，易回收。(4)本专利技术在低温下实现了铁、氮掺杂TiO2-SiO2，同时在低温下实现了二氧化钛的结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种TiO2‑SiO2可见光光催化复合薄膜的制备方法，其特征在于，具体包括：(1)将正硅酸乙酯溶于醇中，加入含铵盐水溶液，加入盐酸调节溶液的pH至1～3，室温搅拌得到溶液A；(2)将钛酸四丁酯与醇混合，室温搅拌得到溶液B；(3)将溶液B滴加到A溶液中，加入铁盐得到溶液C，在温度10～90℃下进行反应，得到透明溶胶；(4)向透明溶胶中加入聚乙二醇，在室温下搅拌，得到镀膜溶胶；(5)镀膜溶胶在衬底上成膜，所得薄膜干燥后立即转入55～100℃的水中进行反应，反应后将薄膜取出烘干，即得铁、氮掺杂的TiO2‑SiO2可见光光催化复合薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种TiO2-SiO2可见光光催化复合薄膜的制备方法，其特征在于，具体包括：(1)将正硅酸乙酯溶于醇中，加入含铵盐水溶液，加入盐酸调节溶液的pH至1～3，室温搅拌得到溶液A；(2)将钛酸四丁酯与醇混合，室温搅拌得到溶液B；(3)将溶液B滴加到A溶液中，加入铁盐得到溶液C，在温度10～90℃下进行反应，得到透明溶胶；(4)向透明溶胶中加入聚乙二醇，在室温下搅拌，得到镀膜溶胶；(5)镀膜溶胶在衬底上成膜，所得薄膜干燥后立即转入55～100℃的水中进行反应，反应后将薄膜取出烘干，即得铁、氮掺杂的TiO2-SiO2可见光光催化复合薄膜。2.根据权利要求1所述的TiO2-SiO2可见光光催化复合薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述正硅酸乙酯与醇的摩尔比为1:5～10。3.根据权利要求1所述的TiO2-SiO2可见光光催化复合薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述铵盐水溶液中，铵盐和水的摩尔比为0.1～10：100。4.根据权利要求1所述的TiO2-SiO2可见光光催化复合薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述钛...

【专利技术属性】
技术研发人员：诸葛飞，卜彦强，吴明番，曹鸿涛，吴爱国，徐裕，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33