改性二氧化钛纳米片和无定形碳复合材料粉体及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种改性二氧化钛纳米片和无定形碳复合材料粉体及其制备方法，以解决传统二氧化钛对太阳光利用率低，只能吸收紫外光，电子空穴分离率低，导电性能差的问题，从而实现太阳光照下将CO2还原为CO和CH4。主要通过在溶剂热条件下，以TiCl3溶液、葡萄糖、氟化钠、异丙醇为原料，直接溶剂热反应，一步法完成二氧化钛纳米片的制备。制备得到的改性二氧化钛纳米片和无定形碳复合材料能够充分解决太阳光利用率低、电子空穴分离率低、导电性能差的问题，此外该材料具有太阳光利用率高、催化活性好的特点。

Modified titanium dioxide nanosheet and amorphous carbon composite powder and preparation method thereof

The invention discloses a modified titanium dioxide nanoscale and amorphous carbon composite powder and its preparation method, so as to solve the problem that the traditional titanium dioxide has low utilization rate of solar light, only absorbs ultraviolet light, the electron hole separation rate is low, and the electrical conductivity is poor, thus the CO2 can be reduced to CO and CH4 under the sunlight illumination. The preparation of titanium dioxide nanoscale was prepared by direct solvent thermal reaction with TiCl3 solution, glucose, sodium fluoride and isopropanol as raw materials under the condition of solvent heat. The modified titanium dioxide nanoscale and amorphous carbon composite can fully solve the problems of low utilization rate of solar light, low electron hole separation rate and poor conductivity. In addition, the material has the characteristics of high utilization rate of solar light and good catalytic activity.

【技术实现步骤摘要】
改性二氧化钛纳米片和无定形碳复合材料粉体及制备方法
本专利技术涉及一种改性二氧化钛纳米片和无定形碳复合材料粉体及其制备方法，特别是指一种溶剂热法制备一种改性二氧化钛纳米片和无定形碳复合材料粉体，以及在太阳光下将CO2催化还原的应用。此材料对可见光具有良好的吸收性能，对CO2具有良好的催化还原性能，催化活性好，成本低廉，制备工艺简便、快捷。
技术介绍
随着全球经济的快速发展，地球上人口激增，环境和能源是人类社会发展面临的严重问题。大气中CO2越来越多，造成温室效应，对人类社会造成了严重的威胁。太阳能是一种清洁可持续的能源，利用太阳能将CO2固定和转化，对经济和社会具有重要的意义。因此需要开发新型的、能够充分利用太阳能、将CO2催化还原的新型环保材料。二氧化钛属于无机半导体材料，带隙能为3.2eV，对紫外光有良好的吸收，化学性质无毒稳定，应用范围包括光催化、染料敏化光伏电池、催化还原CO2及光催化裂解水制氢等领域。然而二氧化钛在实际应用中还存在很多问题。由于二氧化钛带隙能高（3.2eV）导致了其只能吸收紫外光，而紫外光只占太阳能的不到5%，太阳能利用率低。碳、氮掺杂能够有效的降低纳米二氧化钛带隙能，改善可见光吸收性能，提高太阳能利用率，然而具有制备工艺高温高压危险，元素掺杂量低，可见光吸收性能改善效果有限的缺点。贵金属负载能够同时解决太阳光利用率低、电子空穴分离率低的问题，但是过高的成本决定了其不能批量化生产，实用性低。此外，还存在电子空穴分离效率低的问题，通常采用半导体复合、石墨烯复合的方法来改善这种问题，然而这些方法具有成本高，制备方法不够简便的特点。因此如何设计一种制备方法，一方面满足经济效益要求成本低廉、工艺简便；另一方面能够解决二氧化钛太阳能利用率低、电子空穴分离效率低的问题，有着重要的意义。
技术实现思路
本专利技术在于提供一种改性二氧化钛纳米片和无定形碳复合材料粉体及其制备方法，以及在光催化还原CO2中的应用。为实现上述目的现采用如下技术方案：TiCl3溶液能够在异丙醇溶液中稳定，不易被快速氧化，经过搅拌后加入氟化钠、葡萄糖后搅拌均匀转移到反应釜加热，反应过程中利用氟离子对二氧化钛的晶面调控，使二氧化钛生长成纳米片，从而具有更多的催化活性位点；利用葡萄糖具有还原性使得二氧化钛中引入氧空位，提升二氧化钛可见光吸收性能；利用葡萄糖热解生成的无定形碳与二氧化钛纳米片复合，提升导电性能，促进电子空穴分离。一种改性二氧化钛纳米片和无定形碳复合材料粉体及其制备方法，其特征在于采用以下步骤：(1)往异丙醇溶液中加入浓度为15%的TiCl3溶液，敞口搅拌直至溶液成无色；(2)向上述溶液中加入葡萄糖、氟化钠搅拌均匀；(3)将搅拌好的溶液加入到反应釜中加热；(4)将反应好的样品离心洗涤，干燥研磨即可得到样品。步骤(1)中的TiCl3溶液和步骤(1)中异丙醇溶液体积比例为1：35。步骤(2)中每升溶液加入9.906g葡萄糖和4.2g氟化钠。步骤(3)中的加热温度为190℃，时间为8h。步骤(4)中的离心清洗过程为先用乙醇清洗2次，再用去离子水清洗2次，离心速率10000rpm，时间10min。所述一种改性二氧化钛纳米片和无定形碳复合材料粉体用于催化还原CO2。本专利技术具有如下优点：本专利技术制备方法采用的是溶剂热法，实验条件安全、步骤简单，一步完成，避免了反复多次操作，减少出现误差的可能性。本专利技术制备的一种改性二氧化钛纳米片和无定形碳复合材料粉体，在透射电子显微镜下可以观察到二氧化钛纳米片和无定形碳（图1），暗室、100k条件下经过顺磁电子核磁共振得出材料中二氧化钛有氧空位（图2），并且在光源波长大于400nm区域P25吸收约为0%，改性二氧化钛纳米片和无定形碳复合材料粉体70%以上（图3）。附图说明图1为实施例1透射电子显微镜图。图2为实施例1的顺磁电子核磁共振谱图。图3为实施例1紫外可见漫反射光谱图。图4为实施例2方法得到的CH4产率图。具体实施方式一种改性二氧化钛纳米片和无定形碳复合材料粉体及其制备方法，其特征在于采用以下步骤：(1)往异丙醇溶液中加入浓度为15%的TiCl3溶液，敞口搅拌直至溶液成无色；(2)向上述溶液中加入葡萄糖、氟化钠搅拌均匀；(3)将搅拌好的溶液加入到反应釜中加热；(4)将反应好的样品离心洗涤，干燥研磨即可得到样品。步骤(1)中的TiCl3溶液和步骤(1)中异丙醇溶液体积比例为1：35。步骤(2)中每升溶液加入9.906g葡萄糖和4.2g氟化钠。步骤(3)中的加热温度为190℃，时间为8h。步骤(4)中的离心清洗过程为先用乙醇清洗2次，再用去离子水清洗2次，离心速率10000rpm，时间10min。所述改性二氧化钛纳米片和无定形碳复合材料粉体用于催化还原CO2。下面例举实施例子制备改性二氧化钛纳米片和无定形碳复合材料粉体。实施例1：改性二氧化钛纳米片和无定形碳复合材料粉体。用移液管移取TiCl3溶液1mL，加入35ml异丙醇中，磁力搅拌，直至溶液由紫色变为无色，时间为30min。然后称量葡萄糖粉末0.346g和氟化钠0.347g，加入到上述溶液中，磁力搅拌。再将溶液倒入反应釜中，然后加热，加热温度为190℃，时间为8h。反应完成后，离心洗涤，先用乙醇清洗2次，在用水洗2次，离心速度为10000rpm，时间为10min。最后烘箱中60℃干燥，研磨即得到样品。按实施例1制备的样品，经透射电子显微镜检测后发现样品由无定形碳和二氧化钛纳米片组成，见图1。经过顺磁电子核磁共振检测后发现样品中含有氧空位捕捉电子信号（g=2.0055），对应二氧化钛中的氧空位，说明二氧化钛纳米片被改性，见图2。同时固体紫外可见光谱显示施例1制备的样品吸收范围为200-800nm，见图3。实施例2：改性二氧化钛纳米片和无定形碳复合材料粉体在模拟太阳光下催化还原CO2。按实施例1方法制备的改性二氧化钛纳米片和无定形碳复合材料粉体进行催化还原CO2实验。将0.5g实施例1样品放置于长方体石英箱内，对称面为300W氙灯，以模拟太阳光。石英箱外接2个进气口（N2和CO2）和一个出气口。其中CO2进气口接入去离子水起泡器，使CO2气体湿润以附着在样品表面，而出气口接入色谱仪，检测产物CH4产量，进而计算产物产率。首先在暗室条件下，通氮气30min，去除杂质气体然后关闭；然后通CO2，气流速度100ml/min，使石英箱内和样品表面充满湿润的CO2，30min后调解气流速度50ml/min；待气流稳定后打开灯源，开始催化还原反应，同时每隔1h检测产物产量。试验中使用0.5g的P25作为对比。按实施例2得到改性二氧化钛纳米片和无定形碳复合材料粉体催化还原CO2，图4为施例1制备得到改性二氧化钛纳米片和无定形碳复合材料粉体的催化还原CO2得到CH4的产率图，可以看出施例1制备的改性二氧化钛纳米片和无定形碳复合材料粉体催化还原CO2得到CH4最高产率达23.6µmol/gh。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种改性二氧化钛纳米片和无定形碳复合材料粉体的制备，其特征包括以下步骤：(1)往异丙醇溶液中加入浓度为15%的TiCl3溶液，敞口搅拌直至溶液成无色；(2)向上述溶液中加入葡萄糖、氟化钠搅拌均匀；(3)将搅拌好的溶液加入到反应釜中加热；(4)将反应好的样品离心洗涤，干燥研磨即可得到样品。

【技术特征摘要】
1.一种改性二氧化钛纳米片和无定形碳复合材料粉体的制备，其特征包括以下步骤：(1)往异丙醇溶液中加入浓度为15%的TiCl3溶液，敞口搅拌直至溶液成无色；(2)向上述溶液中加入葡萄糖、氟化钠搅拌均匀；(3)将搅拌好的溶液加入到反应釜中加热；(4)将反应好的样品离心洗涤，干燥研磨即可得到样品。2.根据权利要求1一种改性二氧化钛纳米片和无定形碳复合材料粉体的制备，其特征在于TiCl3溶液浓度与异丙醇比例为1:35。3.根据权利要求1一种改性二氧化钛纳米片和无定形碳复合材料粉体的制备，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁智萍，张松利，陈旺，
申请(专利权)人：镇江创智特种合金科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32