一种多壳层纳米颗粒的TiO2光催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种多壳层纳米颗粒的TiO2光催化剂及其制备方法与应用。以催化剂的重量为100%计，每层Ag为5%，Bi2O3的包覆厚度为2 nm。制备方法如下：1）通过钛酸四丁酯的水解水热法制备TiO2催化剂；2）通过AgO和氨水的银氨反应得到银氨溶液，将银氨溶液与TiO2乙醇溶液混合并水热处理得到包覆5%的Ag的TiO2@Ag催化剂；3）以Bi(NO3)3为原料通过微波水热法得到包覆Bi2O3的TiO2@Ag@Bi2O3；4）以同样的方法在其外表再包覆一层Ag。本发明专利技术制备方法简单，所制催化剂不仅增强了光响应范围和光吸收能力，而且界面中Ag充当电子导桥加快了电荷传输，降低光生电子‑空穴对的复合率，从而提高了TiO2催化剂的有效光量子产率，其在室温可见光条件下能将甲苯矿化为CO2和H2O，表现出优异的光催化性能。

TiO2 photocatalyst of a multi shell nano particle and its preparation and Application

The invention discloses a TiO2 photocatalyst with multi shell nanoparticles and a preparation method and application. The catalyst for the weight of 100%, each layer of Ag is 5% and the coating thickness of Bi2O3 is 2 nm. The preparation method is as follows: 1) preparation of TiO2 catalyst by hydrolysis hydrothermal method four butyl titanate; 2) obtained through the reaction of silver ammonia solution of silver ammonia AgO and ammonia, the silver ammonia solution with TiO2 ethanol solution and mixed TiO2@Ag catalyst water heat treatment coating 5% Ag; 3) to Bi (NO3) 3 as raw material of Bi2O3 coated with TiO2@Ag@Bi2O3 by microwave hydrothermal method; 4) in the same way in its appearance is covered by a layer of Ag. The invention has simple preparation method, the catalyst not only enhances the light response range and light absorption ability, and the interface in the Ag acts as a bridge to speed up the electronic charge transfer, reduce the photogenerated electron hole pair recombination rate, thereby increasing the effective quantum yield of TiO2 catalyst, at room temperature under visible light can the toluene mineralized into CO2 and H2O, exhibit excellent photocatalytic properties.

【技术实现步骤摘要】
一种多壳层纳米颗粒的TiO2光催化剂及其制备方法与应用
本专利技术涉及一种用于光催化反应的多壳层TiO2材料及其制备方法，属于光催化材料和环境保护

技术介绍
随着工业的发展，环境污染问题日趋严重。在消除环境污染物方面，光催化降解反应因能耗低，净化效率高等优点，成为最有应用前景的技术之一。但目前光催化技术还存在一些亟待解决的技术问题：传统光催化剂如TiO2的光生电子-空穴对快速复合导致光催化剂的量子产率低，TiO2的主要激发光位于紫外波段。因此，多壳层纳米颗粒的TiO2光催化剂的研发和利用一直是光催化领域内的重点研究对象。TiO2通过与其它窄带隙的金属氧化物（如CuO、Bi2O3,Co3O4）构筑异质结，不仅拓宽了光响应范围，而且一定程度上促进了光生载流子的分离。M.G.Mendez-Medrano等人（J.Phys.Chem.C2016,120,5143−5154），用Ag和CuO对TiO2（P25）进行表面改性，增强了TiO2在紫外光区的吸收，但只在较短的可见光区（<500nm）有光催化活性，且由于界面间存在不可避免的缺陷，易造成光生电子-空穴对复合。Chi-TaYang等人（J.Phys.Chem.C2014,118,4702−4714），通过Ag、Pt和TiO2的相互作用研究光催化的意义，贵金属修饰能与TiO2形成肖基特接触，快速捕获电子，有效减少光生载流子复合率。但一般情况下，贵金属在拓宽光响应范围的作用有限。另外目前报道的异质结是通过多步法将两类相关性不大的材料复合而成，一是制备流程复杂，二是复合材料各组分之间很难充分交织形成利于电子和空穴分离的相界面。
技术实现思路
针对上述光催化领域，特别是TiO2光催化剂所面临的问题，本专利技术提供了一种具有多壳层且性能稳定的TiO2基光催化剂的制备方法，并用于光催化降解有机废气。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种多壳层纳米颗粒的TiO2光催化剂，所述光催化剂是由TiO2的表面依次包覆Ag、Bi2O3、Ag组成，以催化剂的重量为100%计，每层Ag的质量分数为5%，Bi2O3的包覆厚度为2nm。上述多壳层纳米颗粒的TiO2光催化剂的制备方法，包括以下步骤：（1）将钛酸四丁酯溶解于无水乙醇中超声，再加入纯水超声，然后将此溶液微波水热处理，离心，洗涤，干燥得到TiO2催化剂；（2）取AgO和氨水银氨反应得到银氨溶液；将此银氨溶液与TiO2制备的TiO2乙醇溶液混合并微波水热，离心，洗涤，干燥得到包覆5%的Ag的TiO2@Ag光催化剂；（3）取定量的Bi(NO3)3溶于乙二醇和无水乙醇中。再取定量的TiO2@Ag溶于乙醇；再将Bi(NO3)3溶液逐滴加入TiO2@Ag溶液中，搅拌，然后微波水热，离心洗涤，干燥，煅烧得到包覆2nmBi2O3的TiO2@Ag@Bi2O3光催化剂；（4）按照（2）中的方法，在TiO2@Ag@Bi2O3表面再包覆一层银，即得到TiO2@Ag@Bi2O3@Ag光催化剂。其中，步骤（1）中所述微波水热参数：温度为120~180℃，时间为1~3h，功率为300~500W。洗涤过程是指用无水乙醇洗涤3~5次。干燥过程是指在60~80℃的空气氛围内恒温干燥6~10h。步骤（2）中所述氨水的质量百分浓度为25%，微波水热参数：温度为120~180℃，时间为1~3h，功率为300~500W。洗涤过程是指用无水乙醇洗涤3~5次。干燥过程是指在60~80℃的空气氛围内恒温干燥6~10h。步骤（3）中所述搅拌时间为30~60min，微波水热参数：温度为120~180℃，时间为1~3h，功率为300~500W。洗涤过程是指用无水乙醇洗涤3~5次。干燥过程是指在60~80℃的空气氛围内恒温干燥6~10h。煅烧过程是指在马弗炉中400~600℃煅烧3~5h。本专利技术的再一个目的是提供上述多壳层TiO2光催化剂的应用。本专利技术所提供的多壳层TiO2光催化剂的应用是其在室温可见光催化领域中的应用。所述可见光催化剂对单体小分子有机物都具有一定的催化效能,可用于降解空气中有机污染物,如甲醛、甲苯等。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果:本专利技术的具有多壳层纳米颗粒的TiO2光催化剂的制备方法为微波水热法，Ag作为一种贵金属离子，均匀分散在催化剂的表面，两相之间充分交织在一起，能有效分离TiO2受可见光激发产生的电子-空穴，TiO2@Ag催化剂表现出比纯相TiO2更优异的光催化性能。此外，TiO2包覆Bi2O3之后，形成两相异质结，促进光催化反应。用于低浓度甲苯、甲醛等有机气体的可见光催化反应时，可以在室温条件下将体系中甲苯、甲醛大部分氧化为二氧化碳和水。多壳层纳米颗粒的TiO2光催化剂的制备方法简单，制备条件温和，操作方便，便于工业放大生产。附图说明图1为实施例1制备的TiO2@Ag@Bi2O3@Ag和对比例1制备的TiO2@Ag@Bi2O3的XRD图；图2为实施例1制备TiO2@Ag@Bi2O3@Ag(TABA)和制备过程中的TiO2(T)，TiO2@Bi2O3(TB)，TiO2@Ag@Bi2O3(TAB)，TiO2@Bi2O3@Ag(TBA)的紫外可见光谱对比图。具体实施方式为更好地说明本专利技术，便于理解本专利技术的技术方案，本专利技术的典型但非限制性的实施例如下:实施例1一种多壳层纳米颗粒的TiO2光催化剂TiO2@Ag@Bi2O3@Ag的制备方法：（1）将2mL钛酸四丁酯溶解于48mL无水乙醇中超声，再加入2mL纯水超声，然后将此溶液150℃微波水热1h，用纯水和无水乙醇各洗涤3次，放入60°C烘箱恒温干燥10h得到TiO2催化剂；（2）取0.0058gAgO和200μL氨水于5mL无水乙醇中银氨反应得到银氨溶液；将此银氨溶液与0.10gTiO2溶于20mL得到的TiO2乙醇溶液混合并150℃微波水热2h，用纯水和无水乙醇各洗涤3次，放入60℃烘箱恒温干燥10h得到TiO2@Ag光催化剂；（3）将0.10gTiO2溶于20mL无水乙醇中。将0.0245gBi(NO3)3溶于20mL乙二醇和20mL乙醇混合溶液中,并加入TiO2溶液中，磁力搅拌30min，150℃水热2h后，用纯水和无水乙醇各洗涤3次，放入60℃烘箱恒温干燥10h后，450℃煅烧3h得到TiO2@Ag@Bi2O3光催化剂；（4）按照（2）中的方法，在TiO2@Ag@Bi2O3表面再包覆一层银，得到最终产品。对比例1对比一种TiO2@Ag@Bi2O3光催化剂的制备方法：（1）将2mL钛酸四丁酯溶解于48mL无水乙醇中超声，再加入5mL纯水超声，然后将此溶液150℃微波水热1h，用纯水和无水乙醇各洗涤3次，放入60℃烘箱恒温干燥10h得到TiO2催化剂；（2）取0.0058gAgO和200μL氨水于5mL无水乙醇中银氨反应得到银氨溶液；将此银氨溶液与0.10gTiO2溶于20mL得到的TiO2乙醇溶液混合并150℃微波水热2h，用纯水和无水乙醇各洗涤3次，放入60℃烘箱恒温干燥10h得到TiO2@Ag光催化剂；（3）将0.10gTiO2溶于20mL无水乙醇中。将0.0245gBi(NO3)3溶于20mL乙二醇和20mL乙醇混合溶液中,并加入TiO2溶液中，磁力搅拌30min本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多壳层纳米颗粒的TiO2光催化剂，其特征在于：所述光催化剂是由TiO2的表面依次包覆Ag、Bi2O3、Ag组成，以催化剂的重量为100%计，每层Ag的质量分数为5%，Bi2O3的包覆厚度为2 nm。

【技术特征摘要】
1.一种多壳层纳米颗粒的TiO2光催化剂，其特征在于：所述光催化剂是由TiO2的表面依次包覆Ag、Bi2O3、Ag组成，以催化剂的重量为100%计，每层Ag的质量分数为5%，Bi2O3的包覆厚度为2nm。2.权利要求1所述多壳层纳米颗粒的TiO2光催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：（1）将钛酸四丁酯溶解于无水乙醇中超声，再加入纯水超声，然后将此溶液微波水热处理，离心，洗涤，干燥得到TiO2催化剂；（2）取AgO和氨水银氨反应得到银氨溶液；将此银氨溶液与TiO2制备的TiO2乙醇溶液混合并微波水热，离心，洗涤，干燥得到包覆5%的Ag的TiO2@Ag光催化剂；（3）取定量的Bi(NO3)3溶于乙二醇和无水乙醇中。再取定量的TiO2@Ag溶于乙醇；再将Bi(NO3)3溶液逐滴加入TiO2@Ag溶液中，搅拌，然后微波水热，离心洗涤，干燥，煅烧得到包覆2nmBi2O3的TiO2@Ag@Bi2O3光催化剂；（4）按照（2）中的方法，在TiO2@Ag@Bi2O3表面再包覆一层银，即得到TiO2@Ag@Bi2O3...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪红兵，王永庆，鲜丰莲，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44