一种结构可控的铁氮共掺杂TiO2纳米管的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种结构可控的铁氮共掺杂TiO2纳米管的制备方法，本发明专利技术提供一条温和、简单、可靠的水热合成路线，以二氧化钛CTPs为原料，以Fe(NO3)2·6H2O和C3N3(NH2)3为掺杂前驱体(分别作为Fe源和N源)，通过一步水热法制备Fe、N共掺杂TiO2纳米管，本发明专利技术通过控制反应物配比与反应条件，可制备得到不同掺杂量的Fe、N共掺杂TiO2纳米管；该制备方法温和，操作简便，成功率高，重复性好，产物纯度高，可大量制备，本发明专利技术制得的Fe、N共掺杂TiO2纳米管具有强的可见光催化活性，可应用于有机污染物的催化降解。

A controllable structure of iron nitrogen codoped TiO

The invention relates to an iron nitrogen codoped TiO with controllable structure

【技术实现步骤摘要】
一种结构可控的铁氮共掺杂TiO2纳米管的制备方法
本专利技术属于纳米材料的制备
，涉及一种结构可控的铁氮共掺杂TiO2纳米管的制备方法。
技术介绍
二氧化钛纳米管(TiO2Nanotubes,TNTs)具有较高的比表面积和电荷传输性能，因而表现出更强的吸附能力和更高的光催化性能。但是，TNTs的禁带宽度较高(锐钛矿3.2eV)，只能被紫外光激发，因此对太阳能的利用率较低(太阳光中紫外光约占4％，可见光约占45％)，限制了TNTs光催化的实际应用。此外，光激发产生的光生电子与空穴极易复合，导致光量子效率低。为了改善以上不足，国内外研究人员对TNTs开展了大量的改性研究工作，主要改性方法有表面光敏化、半导体复合、贵金属沉积以及元素掺杂。其中最直接的方法就是通过元素掺杂在TiO2的晶格中引入缺陷，改变其电子能带结构，从而拓宽光响应范围。2001年，Asahi等[88]最早在Science报道了N掺杂TiO2在可见光下具有良好的光催化性能。Geng等[100]通过水热法制备了N掺杂TNTs，他们认为N原子进入到了TiO2晶格中，并在带隙中形成新的能级，导致了催化剂的光响应范围扩展到可见光区。Choi和Wu等研究指出Fe3+具有半充满d电子构型，且Fe3+半径与Ti4+相近，是理想的掺杂金属，Fe掺杂TNTs对亚甲基蓝的可见光催化降解性能显著提高。近年来的许多研究表明，金属和非金属共掺杂可以很好地改善TiO2的催化性能。其原因是掺入的非金属能有效地扩展TiO2的光响应范围，而金属离子可以充当光生电子的捕获陷阱，抑制光生载流子的复合，二者协同作用来提高TiO2光催化性能。Cong等首次研究了Fe和N共掺杂TiO2的水热制备，他们认为Fe与N共掺杂是提高TiO2可见光催化性能的一个有效办法。原因是Fe和N的掺杂分别在靠近导带和价带的区域形成了新的能级，二者的协同作用导致了TiO2带隙的缩小，并显著提高了催化剂的可见光催化性能。但是上述报道所制备材料存在产率较低，制备方法重复性较差的问题，因此解决上述问题，实现产品的大批量制备，成为科研热点问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种结构可控的铁氮共掺杂TiO2纳米管的制备方法，该制备方法温和，操作简便，成功率高，重复性好，产物纯度高，可大量制备，且本专利技术制得的Fe、N共掺杂TiO2纳米管具有强的可见光催化活性，可应用于有机污染物的催化降解。本专利技术的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：一种结构可控的铁氮共掺杂TiO2纳米管的制备方法，包括如下步骤：(1)、将Fe(NO3)2·6H2O和C3N3(NH2)3溶解于超纯水中；(2)、将二氧化钛纳米管加入到浓NaOH溶液中，使用超声分散和磁力搅拌，使二氧化钛纳米管分散于NaOH溶液中；(3)、将步骤(2)得到的悬浊液与步骤(1)得到的溶液混合后转移至反应釜中，并将反应釜放入烘箱中进行反应，之后冷却至室温；(4)、将得到的产物经过离心分离后，用蒸馏水清洗；(5)、将清洗后的产物采用盐酸溶液浸泡搅拌，之后利用离心机离心分离，最后依次用去离子水和无水乙醇清洗产物；(6)、清洗后的产物真空干燥后研磨得到铁氮共掺杂TiO2纳米管粉末。在上述结构可控的铁氮共掺杂TiO2纳米管的制备方法中，所述Fe(NO3)2·6H2O、C3N3(NH2)3与二氧化钛纳米管的质量比为0.05～1﹕5﹕10；所述每1gC3N3(NH2)3溶解于20～40mL的超纯水中。在上述结构可控的铁氮共掺杂TiO2纳米管的制备方法中，所述二氧化钛纳米管与浓NaOH溶液的比例关系为：每1g二氧化钛纳米管加入到80～150mL的浓NaOH溶液中；NaOH溶液的浓度为8～12mol/L。在上述结构可控的铁氮共掺杂TiO2纳米管的制备方法中，所述步骤(2)中超声分散的时间和磁力搅拌的时间均为30～60min。在上述结构可控的铁氮共掺杂TiO2纳米管的制备方法中，所述步骤(3)中烘箱加热温度为100～200℃，恒温反应时间为10～30h。在上述结构可控的铁氮共掺杂TiO2纳米管的制备方法中，所述步骤(4)中离心速率为6000～12000r/min，离心时间为5～20min；所述步骤(4)中用蒸馏水清洗至pH为6.8～7.2。在上述结构可控的铁氮共掺杂TiO2纳米管的制备方法中，所述步骤(5)中盐酸溶液的浓度为0.1～0.5mol/L，浸泡搅拌时间为10～20h，离心分离速率为6000～12000r/min，离心时间为5～20min。在上述结构可控的铁氮共掺杂TiO2纳米管的制备方法中，所述步骤(5)中采用去离子水清洗产物至pH为6.8～7.2后，再用无水乙醇清洗3至5次。在上述结构可控的铁氮共掺杂TiO2纳米管的制备方法中，所述步骤(6)中真空干燥温度为50～100℃，真空干燥时间为5～20h。在上述结构可控的铁氮共掺杂TiO2纳米管的制备方法中，所述铁氮共掺杂TiO2纳米管用于有机污染物的催化降解。本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：(1)本专利技术提供了一条温和、简单、可靠的水热合成路线，利用Fe(NO3)2·6H2O和C3N3(NH2)3为Fe源和N源，一步水热反应制备得到Fe、N共掺杂TiO2纳米管，本专利技术制备方法温和，操作简便，成功率高，重复性好，产物纯度高，可大批量制备。(2)本专利技术制备方法选用商品二氧化钛CTPs为原料，以Fe(NO3)2·6H2O和C3N3(NH2)3为掺杂前驱体(分别作为Fe源和N源)，通过水热法制备Fe、N共掺杂TiO2纳米管；控制反应物配比、与反应条件，可制备得到不同掺杂量的Fe、N共掺杂TiO2纳米管。(3)本专利技术制得的Fe、N共掺杂TiO2纳米管具有强的可见光催化活性，可应用于有机污染物的催化降解。(4)本专利技术通过大量试验给出了铁氮共掺杂TiO2纳米管制备过程中各反应物的最佳配比，同时对反应过程中的工艺条件及参数设置、反应容器选择等进行了优化设计，使得制备的铁氮共掺杂TiO2纳米管具有更加优异的性能和更高的产率。附图说明图1为本专利技术实施例1中不同掺杂TNTs样品的XRD图谱(a)TNTs；(b)N-TNTs；(c)0.5Fe/N-TNTs；(d)1Fe/N-TNTs；(e)3Fe/N-TNTs；(f)5Fe/N-TNTs；(g)10Fe/N-TNTs。图2为本专利技术实施例1中3Fe/N-TNTs的TEM和高分辨TEM图，其中图2a为3Fe/N-TNTs的TEM图，图2b为3Fe/N-TNTs的高分辨TEM图。图3为本专利技术实施例2中TNTs与3Fe/N-TNTs的N2吸附-脱附曲线和孔径分布图，其中图3a为N2吸附-脱附曲线，图3b为孔径分布图。图4为本专利技术实施例2中TNTs与xFe/N-TNTs拉曼光谱。图5为本专利技术实施例2中典型的铁氮掺杂TNTs纳米管光催化降解单宁酸的重复性试验结果图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细的描述：本专利技术结构可控的铁氮共掺杂TiO2纳米管的制备方法，具体包括如下步骤：(1)、将Fe(NO3)2·6H2O和C3N3(NH2)3溶解于超纯水中；其中Fe(NO3)2·6H2O、C3N3(NH2)3与二氧化钛纳米管CTPs的质量比为0.05～1﹕5﹕1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种结构可控的铁氮共掺杂TiO

【技术特征摘要】
1.一种结构可控的铁氮共掺杂TiO2纳米管的制备方法，其特征在于包括如下步骤：(1)、将Fe(NO3)2·6H2O和C3N3(NH2)3溶解于超纯水中；(2)、将二氧化钛纳米管加入到浓NaOH溶液中，使用超声分散和磁力搅拌，使二氧化钛纳米管分散于NaOH溶液中；(3)、将步骤(2)得到的悬浊液与步骤(1)得到的溶液混合后转移至反应釜中，并将反应釜放入烘箱中进行反应，之后冷却至室温；(4)、将得到的产物经过离心分离后，用蒸馏水清洗；(5)、将清洗后的产物采用盐酸溶液浸泡搅拌，之后利用离心机离心分离，最后依次用去离子水和无水乙醇清洗产物；(6)、清洗后的产物真空干燥后研磨得到铁氮共掺杂TiO2纳米管粉末。2.根据权利要求1所述的一种结构可控的铁氮共掺杂TiO2纳米管的制备方法，其特征在于：所述Fe(NO3)2·6H2O、C3N3(NH2)3与二氧化钛纳米管的质量比为0.05～1﹕5﹕10；所述每1gC3N3(NH2)3溶解于20～40mL的超纯水中。3.根据权利要求1所述的一种结构可控的铁氮共掺杂TiO2纳米管的制备方法，其特征在于：所述二氧化钛纳米管与浓NaOH溶液的比例关系为：每1g二氧化钛纳米管加入到80～150mL的浓NaOH溶液中；NaOH溶液的浓度为8～12mol/L。4.根据权利要求1所述的一种结构可控的铁氮共掺杂TiO2纳米管的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚卫棠，陈鑫，段涛，竹文坤，张友魁，
申请(专利权)人：西南科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51