一种碳钇改性二氧化钛光催化剂的制备工艺制造技术

一种碳钇改性二氧化钛光催化剂的制备工艺，属于改性二氧化钛光催化剂的技术领域，采用溶胶凝胶法，以钛酸四丁酯为原料制备前驱体溶胶，然后向前驱体溶胶中掺杂改性元素，搅拌得到凝胶，将凝胶经过干燥、粉碎、焙烧，得到改性二氧化钛；掺杂的改性元素为C和Y，具体掺杂改性元素的过程为：先向前驱体溶胶中滴加硝酸钇溶液，然后再滴加葡萄糖溶液，控制改性二氧化钛中Y、C、TiO

【技术实现步骤摘要】
一种碳钇改性二氧化钛光催化剂的制备工艺
本专利技术属于改性二氧化钛光催化剂的领域，涉及改性二氧化钛光催化剂的制备工艺，具体涉及一种碳钇改性二氧化钛光催化剂的制备工艺。本工艺操作简单，创造性的向二氧化钛中掺杂C和Y，两者结合具有协同增效的作用，同时掺杂钇、碳能够有效抑制二氧化钛晶粒尺寸长大，提高改性二氧化钛的比表面积，提高二氧化钛的光催化性能。
技术介绍
二氧化钛具有化学稳定性强、反应条件温和、无二次污染等突出优点，因此具有广阔的应用前景。但是，锐钛型二氧化钛带隙能较大(Eg＝3.2eV)，电子和空穴容易发生复合，需要能量较高的紫外线(λ≤387.5nm)照射才能表现出光催化活性，不能高效利用太阳能，量子产率较低，这成为制约其大规模实用化的一个瓶颈问题。为了扩展二氧化钛响应波长以利用太阳光,早期人们探索了以金属元素、金属氧化物掺杂或复合改性TiO2光催化剂，并取得了有意义的进展。然而金属改性TiO2光催化剂存在一定的弊端，对光催化剂的改性有很大的局限性，因此研究进一步提高TiO2光催化剂的技术是目前迫切需要解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了解决二氧化钛光催化剂在改变晶型结构的情况下具有更好的光催化性能的技术难题，设计了一种改性二氧化钛光催化剂的制备工艺，使二氧化钛中同时掺杂钇与碳，最终达到提高光催化性能的目的。本专利技术为实现其目的采用的技术方案是：一种碳钇改性二氧化钛光催化剂的制备工艺，采用溶胶凝胶法，以钛酸四丁酯为原料制备前驱体溶胶，然后向前驱体溶胶中掺杂改性元素，搅拌得到凝胶，将凝胶经过干燥、粉碎、焙烧，得到改性二氧化钛；掺杂的改性元素为C和Y，具体掺杂改性元素的过程为：先向前驱体溶胶中滴加硝酸钇溶液，然后再滴加葡萄糖溶液，控制改性二氧化钛中Y、C、TiO2的摩尔比为(0.002-0.006)：(0.06-0.54)：1。所述的硝酸钇溶液由下述方法制备：将质量比为(8-24):(1-3):(1-3)的乙醇、硝酸钇、去离子水混合，稀硝酸调节pH值为2-3，得到硝酸钇溶液，所述稀硝酸指的是浓度为2mol/L的稀硝酸。本技术方案采用稀硝酸调节pH值，不仅仅是作为pH值调节剂的，更为重要的作用是抑制硝酸钇水解生成氢氧化钇沉淀。所述的葡萄糖溶液为D-葡萄糖溶液，D-葡萄糖溶液的浓度为0.24-2.16mol/L。所述前驱体溶胶由下述方法制备：将钛酸四丁酯、乙醇、冰醋酸、去离子水按体积比为(6-12)：(18-36)：(1-2)：(1-2)混合，得到前驱体溶胶。搅拌得到凝胶的搅拌速率为1250-1300r/min。滴加硝酸钇溶液时，以1250-1300r/min的条件下，搅拌滴加。干燥时，于20℃下恒温干燥7-10天，在该条件下干燥，干燥物质稳定，结构和成分不易被破坏，是收率和纯度的保证。焙烧时，采用马弗炉，控制焙烧过程的升温速率为5K/min，直至793K，焙烧时间为4h。硝酸钇溶液的滴加速度为150-200ml/h，葡萄糖溶液的滴加速度为150-200ml/h。本专利技术的有益效果是：本专利技术在制备二氧化钛时，同时掺杂钇、碳能够有效抑制二氧化钛晶粒尺寸长大，提高改性二氧化钛的比表面积，提高二氧化钛的光催化性能，二者结合达到了非常显著的效果。通过掺杂稀土元素可延长二氧化钛光生电子与空穴对的复合时间，从而提高TiO2的光催化活性，通过掺杂Y可以吸收紫外光区、可见光区、红外光区各种波长的电磁波辐射，可以更有效地利用太阳能；通过掺杂C得到的C-TiO2具有吸收可见光(甚至大于600nm的波长)的能力，且掺杂C的二氧化钛受可见光激发后具有较强降解污染物的能力。元素Y进入TiO2晶格中引起了TiO2晶格的膨胀，抑制了TiO2晶相的转变和粒径的增大，提高光催化剂表面Ti3+的含量和对反应物的吸附能力，使得TiO2光催化活性显著提高；同时，通过先加入Y再加入C的操作顺序，基于Y和C的用量比，提高了光生电子-空穴分离效率，抑制电子-空穴重新结合，提高了量子效率，使得Y和C起到协同增效的作用，大大提高催化剂的活性。本专利技术在用C和Y同时改性二氧化钛时，遇到了一个前所未有的问题，原本用Y或C单独(或与其他元素共用)改性二氧化钛时，都存在一个规律：在某一特定范围内随着Y或C的增加，改性二氧化钛的活性逐渐增加，超过最佳掺杂量值之后，随着Y或C的增加，改性二氧化钛的活性是降低的，所以本专利技术在同时用C和Y结合改性时，本领域技术人员直接想到的是采用两者的最佳掺杂量，然而结果却出乎意料，二氧化钛的活性反而没有单独最佳掺杂量时催化效果好；于是又进行了多因素试验，先控制Y为最佳量，根据改性二氧化钛的活性最好的参数再寻找C的用量，发现其降解率仅能达到Y最佳量的效果，相当于C的加入没有起到任何作用；然后进行相反的实验，先控制C为最佳量，根据改性二氧化钛的活性最好的参数再寻找Y的用量，发现其降解率介于C最佳量和Y最佳量的效果之间，相当于C的加入降低了Y的使用量，但是催化剂活性效果上反而下降了。面对该问题，在同时用C和Y改性二氧化钛时，其配比对改性后二氧化钛的活性是至关重要的，专利技术人经过长期的创造性研究，总结出了C和Y的掺杂比例，只有按照本专利技术的比例控制，同时控制工艺步骤为先掺杂Y后掺杂C的顺序，才能提高改性二氧化钛的活性，起到协同增效的作用。Y离子能够吸收能量以减小TiO2颗粒的表面自由能，这将会减缓TiO2颗粒的聚合进程。Y掺杂后，分布在TiO2表面的Y元素会像钉子一样限制着晶粒界面的移动，即所谓的“钉扎作用”，由于这种作用的存在，延缓了晶粒的生长速度，从而提高了TiO2热稳定性，减缓了样品相转变。C原子对Ti原子吸引力较弱，易发生相变，能够提高结晶性与促进相转变，从锐钛相向金红石相转变；Y原子对Ti原子吸引力较强，难发生相变，能够形成Y2O3膜层抑制质量与能量的传递从而抑制晶粒生长。C、Y掺入TiO2晶格，导致Ti3+生成，这将使钛原子周围的电子云密度增加，从而降低他们的结合能，使TiO2周期性势能发生改变。由于Ti3+离子存在，使得空穴能够从内部传输到表面并结合吸附水和自由羟基，所以对光生电子-空穴的复合起到有效抑制作用。C的2p轨道和Y的4d轨道的杂化使得Ti的3d轨道和O的2p轨道的电子由于耦合作用产生共振，使得杂质能级上能够被激发的电子数量更多。由于形成的杂质能级距离价带很近，极易成为光生空穴的俘获陷阱，有利于光生电子-空穴对有效地分离。离子掺杂使得TiO2费米能级发生了偏移，且有杂质能级生成，C-Y-TiO2禁带宽度较C-TiO2变窄，这说明C、Y离子之间的协同作用使得能带窄化，致使其吸收带向可见光区移动，同时有利于光催化活性的改善。本专利技术得到的C-Y-TiO2粒径10.65nm，锐钛矿含量68.42％；现有技术制备的C-TiO2粒径为34.41nm，锐钛矿含量8.34％；现有技术制备的Y-TiO2粒径12.6nm，锐钛矿含量69.20％。本专利技术制备的光催化剂，检测其对亚甲基蓝的180min降解率达80％以上，对甲基橙的120min降解率达80％以上，对罗丹明B的10min降解率达80％以上。附图说明图1是本专利技术的制备工艺生产出的Y-C-TiO2的XPS全普图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步的说明。实施例1碳钇本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳钇改性二氧化钛光催化剂的制备工艺，采用溶胶凝胶法，以钛酸四丁酯为原料制备前驱体溶胶，然后向前驱体溶胶中掺杂改性元素，搅拌得到凝胶，将凝胶经过干燥、粉碎、焙烧，得到改性二氧化钛；其特征在于，掺杂的改性元素为C和Y，具体掺杂改性元素的过程为：先向前驱体溶胶中滴加硝酸钇溶液，然后再滴加葡萄糖溶液，控制改性二氧化钛中Y、C、TiO

【技术特征摘要】
1.一种碳钇改性二氧化钛光催化剂的制备工艺，采用溶胶凝胶法，以钛酸四丁酯为原料制备前驱体溶胶，然后向前驱体溶胶中掺杂改性元素，搅拌得到凝胶，将凝胶经过干燥、粉碎、焙烧，得到改性二氧化钛；其特征在于，掺杂的改性元素为C和Y，具体掺杂改性元素的过程为：先向前驱体溶胶中滴加硝酸钇溶液，然后再滴加葡萄糖溶液，控制改性二氧化钛中Y、C、TiO2的摩尔比为(0.002-0.006)：(0.06-0.54)：1。2.根据权利要求1所述的一种碳钇改性二氧化钛光催化剂的制备工艺，其特征在于，所述的硝酸钇溶液由下述方法制备：将质量比为(8-24):(1-3):(1-3)的乙醇、硝酸钇、去离子水混合，稀硝酸调节pH值为2-3，得到硝酸钇溶液。3.根据权利要求1所述的一种碳钇改性二氧化钛光催化剂的制备工艺，其特征在于，所述的葡萄糖溶液为D-葡萄糖溶液，D-葡萄糖溶液的浓度为0.24-2.16mol/L。4.根据权利要求1所述的一种碳钇改性二氧化钛光催化剂的制备工艺，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建平，张川，张千，
申请(专利权)人：河北麦森钛白粉有限公司，
类型：发明
国别省市：河北,13