一种碳包覆的TiO2材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种碳包覆的TiO2材料及其制备方法，所述碳包覆的TiO2材料制备方法包括提供具有碳源的TiO2前驱体，采用等离子体工艺对具有碳源的TiO2前驱体焙烧，以形成石墨碳原位沉积在TiO2的表面，以获得碳包覆的TiO2材料。所述碳包覆的TiO2材料粒径为8‑15nm，包覆TiO2的碳为石墨碳结构，碳的质量占所述碳包覆的TiO2材料总质量的20‑75.5％。所述碳包覆的TiO2材料制备方法工艺简单、制备周期短，能提高碳原位沉积在TiO2的表面的效率，且能显著提高碳包覆的TiO2材料的催化活性。

Carbon coated TiO2 material and preparation method thereof

The present invention relates to a TiO2 carbon coating and a preparation method thereof, wherein the TiO2 material preparation method comprises providing a carbon coated TiO2 precursor with carbon source, the plasma process of TiO2 precursor calcination with carbon source, carbon graphite to form in situ deposition on TiO2 surface to obtain TiO2 material carbon coated. The carbon coated TiO2 material particle size of 8 15nm, TiO2 coated carbon graphite carbon, carbon accounts for the quality of the carbon coated TiO2 materials of 20 of the total mass of 75.5%. The preparation method of the carbon coated TiO2 material has the advantages of simple process and short preparation cycle, can improve the efficiency of the carbon in situ deposition on the surface of TiO2, and can significantly improve the catalytic activity of the carbon coated TiO2 material.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及材料制备领域，尤其涉及一种碳包覆的TiO2材料及其制备方法。
技术介绍
氢经济是独立于以石化燃料为依托的新能源经济体系。该体系不但不会产生废气污染环境，而且可以储存能量，因此引发了广泛的关注和研究。在氢经济中，构建未来低碳能源体系主要可分为两种途径：一是CO2的催化转化；二是清洁能源的开发利用。其中太阳能的高效利用成为现今科研领域的研究热点。TiO2作为一种高效的光催化半导体材料，其在光催化降解有机物和光催化裂解水制备氢气领域具有优良的特性。然而TiO2又存在两个重要的特点制约了其在光催化领域的应用：一是TiO2对可见光的吸收能力较差，制约了其在可见光范围的应用可行性；二是TiO2材料本身光致激发的电子和空穴非常容易复合，导致大部分的激发电子和空穴都无法有效的参与到光催化反应当中。为了解决以上两个问题，研究人员尝试采用多种方法对TiO2进行结构和性能优化。其中，常见的方法是在TiO2表面进行碳包覆处理。目前研究人员主要采用常规的马弗炉工艺焙烧，其包括通过往TiO2中加入有机碳源，然后将样品放置于马弗炉的坩埚内，设置马弗炉温度550℃左右进行4h以上焙烧，使得有机碳源分解，然后原位沉积在TiO2表面上，或者直接以石墨烯或者碳纳米管为原料，喷涂在TiO2表面上。以上方法中，需要额外加入碳源，操作工艺复杂且制备的碳包覆的TiO2材料催化活性低，生产效率低不利于批量工业化生产。
技术实现思路
为克服现有碳包覆的TiO2材料催化活性低的问题，本专利技术提供一种碳包覆的TiO2材料及其制备方法。本专利技术解决技术问题的技术方案是提供一种碳包覆的TiO2材料的制备方法，其包括提供具有碳源的TiO2前驱体，采用等离子体工艺对具有碳源的TiO2前驱体焙烧，以形成石墨碳原位沉积在TiO2的表面，以获得碳包覆的TiO2材料。优选地，所述采用等离子体工艺对具有碳源的TiO2前驱体焙烧包括以下步骤：设置等离子体反应气体的放电功率为0.01-103KW，频率为大于等于20KHZ，以惰性气体作为等离子体反应气体，其以速率0.1-3L/h通入，在300-600℃条件下，焙烧时间为5min-30min。优选地，所述等离子体工艺对具有碳源的TiO2前驱体焙烧的焙烧温度为300-400℃，焙烧时间为10min-20min，惰性气体的通入速率为0.3-0.8L/h。优选地，碳包覆的TiO2材料的制备方法进一步包括对具有碳源的TiO2前驱体的获取；所述获取具有碳源的TiO2前驱体的具体步骤包括如下步骤：将含钛有机物溶解在溶剂中，并添加水解抑制剂，配置得到A溶液；将水解剂及水解抑制剂混合，配置得到B溶液；将B溶液逐滴加入A溶液中，以获得具有碳源的TiO2前驱体，其中，含钛有机物为钛酸脂或钛醇盐。优选地，所述将B溶液逐滴加入A溶液中的步骤具体为：将B溶液逐滴加入A溶液中，同时以300rpm-1200rpm的速率进行搅拌。优选地，所述具有碳源的TiO2前驱体的获取进一步包括在将B溶液逐滴加入A溶液中后分离得到TiO2凝胶产物，并将凝胶产物在80℃-120℃的条件下干燥，得到所需具有碳源的TiO2前驱体。优选地，所述钛酸脂为原钛酸烷基脂，所述钛醇盐为钛甲醇盐、钛乙醇盐、钛丙醇盐、丁醇钛或钛异丙醇盐，所述溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或异丙醇中一种或几种混合，所述水解抑制剂为醋酸、盐酸、硝酸或硫酸中一种或几种，所述水解剂为去离子水。优选地，所述A溶液中含钛有机物：溶剂：水解抑制剂的体积百分比为(30-40)：(40-67)：(3-5)，B溶液中水解抑制剂：水解剂的体积百分比为(8-35)：(65-92)。本专利技术解决技术问题的技术方案是提供一种碳包覆的TiO2材料，所述碳包覆的TiO2材料粒径为8-15nm，包覆TiO2的碳为石墨碳结构，且所述碳的质量占所述碳包覆的TiO2材料总质量的20-75.5％。优选地，所述碳包覆的TiO2材料在2θ＝27°具有一个X射线特征衍射峰，且吸收强度为950-1050a.u.，在可见光波段光吸收强度为0.075-0.012a.u.，在1700cm-1处有拉曼特征振动峰。与现有技术相比，本专利技术一种碳包覆的TiO2材料及其制备方法具有以下优点：(1)通过采用钛酸酯或钛醇盐作为原料，制备具有碳源的TiO2前驱体。钛酸酯或钛醇盐具有有机碳源，不需再添加碳源，也极大地简化工艺流程，缩短生产周期，提高制备碳包覆的TiO2材料的效率。通过等离子体工艺焙烧，使所述具有碳源的TiO2前驱体的碳源形成石墨碳原位沉积在TiO2的表面，从而使获得的碳包覆的TiO2材料从白色转变为黑色，在一定程度上提高了材料对光的吸收能力，以提高碳包覆的TiO2材料的催化活性。(2)通过设置放电频率为大于等于20KHZ，惰性气体的通气速率为0.1-3L/h，在300-600℃条件下，对提供的具有碳源的TiO2前驱体焙烧5min-30min，可以使石墨碳原位沉积在TiO2的表面，以获得碳包覆的TiO2材料。与常规的马弗炉工艺焙烧至少4h相比较，焙烧时间短，能提高石墨碳原位沉积在TiO2表面的效率，即提高生产效率。同时也避免了TiO2在长时间高温焙烧下的烧结和团聚现象，因而能够获得粒径均匀得碳包覆的TiO2材料。(3)采用等离子体工艺处理中焙烧温度为300-400℃，时间为10min-20min，进一步利于形成粒径分布均匀的碳包覆的TiO2材料。(4)通过将B溶液逐滴加入A溶液，可以控制水解反应和逆水解反应的平衡，所述A溶液中含钛有机物：溶剂：水解抑制剂的体积百分比为(30-40)：(40-67)：(3-5)，B溶液中水解抑制剂：水解剂的体积百分比为(8-35)：(65-92)，以保证能够制备获得具有碳源的TiO2前驱体，且无需再添加碳源，操作工艺简单，大大提高了制备碳包覆的TiO2材料效率。(5)所述碳包覆的TiO2材料采用所述碳包覆的TiO2材料的制备方法制备，具有粒径均匀、石墨碳原位沉积在TiO2表面的效率高及较强的光催化活性的优点。(6)所述碳包覆的TiO2材料在2θ＝27°具有一个X射线特征衍射峰，且吸收强度为950-1050a.u.，在可见光波段光吸收强度为0.075-0.012a.u.，在1700cm-1处有属于石墨碳的拉曼特征振动峰，因而，碳包覆的TiO2材料处理赋予了石墨碳原位沉积TiO2表面的结构特征，且具有较强的光吸收强度。【附图说明】图1是本专利技术碳包覆的TiO2材料制备方法的工艺流程示意图。图2是本专利技术第一实验组碳包覆的TiO2材料的TEM图(Transmissionelectronmicroscope，透射电镜)。图3是本专利技术采用第一实验组(A1)、第一对比组(B1)及第二对比组(C1)三组制备的碳包覆的TiO2材料在光催化裂解水制备氢气体系的催化活性比较示意图。图4是图3中三组制备的碳包覆的TiO2材料Uv-vis(Ultraviolet-visiblespectroscopy，紫外可见吸收光)谱图。图5是图3中三组制备的碳包覆的TiO2材料XRD(X-raydiffraction，X射线衍射)谱图。图6是第一实验组(A4)制备的碳包覆的TiO2材料Raman(Ramanspectra，拉曼光谱)图谱的示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳包覆的TiO2材料制备方法，其特征在于：其包括提供具有碳源的TiO2前驱体，采用等离子体工艺对具有碳源的TiO2前驱体焙烧，以形成石墨碳原位沉积在TiO2的表面，以获得碳包覆的TiO2材料。

【技术特征摘要】
1.一种碳包覆的TiO2材料制备方法，其特征在于：其包括提供具有碳源的TiO2前驱体，采用等离子体工艺对具有碳源的TiO2前驱体焙烧，以形成石墨碳原位沉积在TiO2的表面，以获得碳包覆的TiO2材料。2.如权利要求1所述的碳包覆的TiO2材料制备方法，其特征在于：设置等离子体反应气体的放电功率为0.01-103KW，频率为大于等于20KHZ，以惰性气体作为等离子体反应气体，其以速率0.1-3L/h通入，在300-600℃条件下，焙烧时间为5min-30min。3.如权利要求2所述的碳包覆的TiO2材料制备方法，其特征在于：所述等离子体工艺对具有碳源的TiO2前驱体焙烧的焙烧温度为300-400℃，焙烧时间为10min-20min，惰性气体的通入速率为0.3-0.8L/h。4.如权利要求1-3任一项所述的碳包覆的TiO2材料制备方法，其特征在于：所述碳包覆的TiO2材料的制备方法进一步包括对具有碳源的TiO2前驱体的获取；所述获取具有碳源的TiO2前驱体的具体步骤包括如下步骤：将含钛有机物溶解在溶剂中，并添加水解抑制剂，配置得到A溶液；将水解剂及水解抑制剂混合，配置得到B溶液；将B溶液逐滴加入A溶液中，以获得具有碳源的TiO2前驱体，其中，含钛有机物为钛酸脂或钛醇盐。5.如权利要求4中所述的碳包覆的TiO2材料制备方法，其特征在于：所述将B溶液逐滴加入A溶液中的步骤具体为：将B溶液逐滴加入A溶液中，同时以300r...

【专利技术属性】
技术研发人员：向勇，张晓晴，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51