一种共掺杂TiO2光催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种无贵金属掺杂、成本低、制备简单、在可见光照射下具备高光催化活性的过渡金属与卤族元素共掺杂TiO2催化剂的制备方法。该方法以钛酸四丁酯为原料，采用溶胶‑凝胶技术，以无水乙醇作为溶剂，以乙酰丙酮作为水解抑制剂，掺杂Fe3+离子和I‑离子对TiO2催化剂进行共掺杂改性。本发明专利技术的共掺杂TiO2光催化剂将光催化所需的光波段由紫外光波段扩展到可见光波段，提高了其在可见光下的光催化活性和效率，降低了使用光催化技术降解VOCs的运营成本。

A Co-doped Titanium Dioxide Photocatalyst and Its Preparation Method

The invention discloses a preparation method of a transition metal and halogen element co-doped titanium dioxide catalyst without noble metal doping, with low cost, simple preparation and high photocatalytic activity under visible light irradiation. In this method, four butyl titanate was used as raw material, and sol-gel technology was used. Ethanol was used as solvent, acetylacetone as hydrolysis inhibitor, and Fe3+ and I TiO2 ions were added to co doping. The co-doped titanium dioxide photocatalyst expands the light band needed for photocatalysis from ultraviolet to visible, improves the photocatalytic activity and efficiency under visible light, and reduces the operation cost of using photocatalytic technology to degrade VOCs.

【技术实现步骤摘要】
一种共掺杂TiO2光催化剂及其制备方法
本专利技术涉及一种掺杂改性型TiO2光催化剂及其制备方法，属于光催化
，适用于在可见光条件下对VOCs的催化降解。
技术介绍
VOCs是对流层臭氧和二次有机气溶胶的重要前体物，也是驱使大气氧化物增强的重要因素，可在大气中形成光化学烟雾。VOCs的排放不仅造成了资源的极大浪费；而且VOCs可以通过呼吸道和皮肤进入人体后，对人体的呼吸、血液、肝脏等系统和器官造成暂时性或者永久的损伤，VOCs的排放还对农林和畜牧等行业造成危害。在VOCs治理领域，光催化降解技术正逐渐成为传统治污技术的补充和完善，显示出广阔的前景。该技术最大的优点在于降解反应在常温常压下就可以进行，能彻底破坏空气和水中的污染物，使之完全矿化为CO2、H2O等无害物质，避免了二次污染的产生。但光催化本身存在着限制条件：光催化剂的选择，光催化剂本身的性质极大的影响了VOCs的处理效率。光催化剂大都是n-型半导体，其中又以TiO2应用最广，但TiO2本身的禁带宽度大，可吸收光子的波长范围窄，且TiO2反应过程中光生电子-空穴复合问题严重，光量子利用率低。综上可知，制备可以降低TiO2光催化剂的禁带宽度、增加可吸收光子波长范围、抑制光生电子-空穴复合、提高光子利用率共掺杂TiO2光催化剂具有广泛的应用前景和重要的科学意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种可以降低TiO2光催化剂的禁带宽度使光催化吸收光区由紫外光区拓展到可见光区、抑制光生电子-空穴复合进而提高光子利用率的掺杂TiO2光催化剂。为实现上述目的，本专利技术提供一种在可见光下对VOCs有效去除的共掺杂TiO2光催化剂，是根据以下制备方法制得的。共掺杂TiO2光催化剂制备原材料中，Fe3+离子、I-离子、Ti4+离子的摩尔比为0.002~0.005:0.10~0.15:1；钛酸四丁酯溶液、乙酰丙酮溶液、去离子水、无水乙醇的体积比为1:0.08:0.15:4。本专利技术还公开了一种在可见光下对VOCs有效去除的共掺杂TiO2光催化剂的制备方法，包括如下步骤：步骤（1）：取Fe(NO3)3•9H2O固体、钛酸四丁酯溶液、乙酰丙酮溶液加入到无水乙醇中，进行磁力搅拌；步骤（2）：取KI固体、无水乙醇、乙酰丙酮溶液加入到去离子水中，对混合液进行磁力搅拌；步骤（3）：将通过步骤（1）得到的混合液匀速滴加到通过步骤（2）得到混合液中，持续进行磁力搅拌；步骤（4）：将完全混合后的溶液用硝酸调节pH，磁力搅拌一段时间后，静置形成红棕色凝胶；步骤（5）：将红棕色凝胶置于离心管中，加入离心溶剂，置于离心机中离心，离心结束后迅速将上清液倒出，重复该步骤（5）一次；步骤（6）：将离心后的凝胶置于烘箱中，烘干后研磨，过筛网；步骤（7）：将过筛网后的淡黄色粉末置于加热炉中煅烧。作为优选，步骤（1）中，各物质加入顺序为：无水乙醇、Fe(NO3)3•9H2O固体、钛酸四丁酯溶液、乙酰丙酮溶液；Fe(NO3)3•9H2O与钛酸四丁酯的摩尔比为0.002~0.005：1，无水乙醇与钛酸四丁酯溶液的体积比为4：3，乙酰丙酮溶液与钛酸四丁酯溶液的体积比为0.04:1，磁力搅拌时间为30~45min。作为优选，步骤（2）中，各物质加入顺序为：去离子水、KI固体、无水乙醇、乙酰丙酮溶液，因为KI固体在水中的溶解度远高于乙醇和乙酰丙酮，故为了便于其溶解特此排序；KI与钛酸四丁酯的摩尔比为0.10~0.15:1，无水乙醇与钛酸四丁酯溶液的体积比为8：3，乙酰丙酮溶液与钛酸四丁酯溶液的体积比为0.04:1，去离子水与钛酸四丁酯溶液的体积比为0.15:1，磁力搅拌时间为8~10min。作为优选，步骤（3）所述混合液的滴加速率为0.02~0.1ml/s，滴加过快则无法形成有序胶体结构，过慢则二者尚未混合完全就已形成凝胶；整个滴加过程持续进行磁力搅拌。作为优选，步骤（4）中，混合液pH用硝酸调至2~4后再进行磁力搅拌150~210min。作为优选，步骤（5）中，离心所用溶剂采用去离子水；离心机转速为4000~5000r/min；离心一次时长10~12min；共离心两次。作为优选，步骤（6）中，烘干温度为75~85℃；烘干时长为210~240min；筛网采用80~110目筛。作为优选，步骤（7）中，加热炉设定的煅烧温度为400~450℃；煅烧时长为60~90min。本专利技术的有益效果：（1）本专利技术所述的共掺杂TiO2催化剂制备方法简单，无贵金属掺杂、成本低，具有市场发展前景；（2）本专利技术首次采用Fe3+离子与I-离子共掺杂制备Fe-I-TiO2催化剂，该方法有以下优势：一是，I-离子的掺杂不仅可以使TiO2在紫外光下的催化活性得到提高，而且在可见光范围内具有很高的催化活性；二是，Fe3+离子的掺杂通过对TiO2晶格中的Ti4+发生取代，进一步增加催化剂对可见光的吸收；三是，Fe3+离子掺杂可作为电子陷阱，抑制光生电子-空穴的复合速率，提高光子利用率。附图说明图1为实施例2制得Fe-I-TiO2催化剂的X射线光电子能谱分析图；图2a为TiO2催化剂X射线衍射图谱分析图；图2b为0.3%掺杂量Fe-TiO2催化剂X射线衍射图谱分析图；图2c为15%掺杂量I-TiO2催化剂X射线衍射图谱分析图；图2d为实施例2制得Fe-I-TiO2催化剂X射线衍射图谱分析图；图3为商用P25、TiO2催化剂、0.3%掺杂量Fe-TiO2催化剂、15%掺杂量I-TiO2催化剂与实施例2制得的Fe-I-TiO2催化剂对苯的光催化降解效率图。具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术作详细说明。实施例1：Fe-I-TiO2催化剂的制备：（1）称取0.1620gFe(NO3)3•9H2O固体、量取30ml钛酸四丁酯溶液、量取1.2ml乙酰丙酮溶液依次加入到40ml无水乙醇中，对混合液（A液）进行磁力搅拌30min；（2）称取3.3275gKI固体、量取80ml无水乙醇、1.2ml乙酰丙酮溶液依次加入到4.5ml去离子水中，对混合液（B液）进行磁力搅拌8min；（3）将混合液（A液）以0.025ml/s的速率匀速滴加到混合液（B液）中，滴加时持续对混合液（B液）进行磁力搅拌；（4）将完全混合后的溶液用硝酸将pH调至2，磁力搅拌210min，静置形成红棕色凝胶；（5）将红棕色凝胶置于离心管中，加入去离子水，将离心管置于离心机中，在5000r/min转速下离心10min，离心结束后迅速将上清液倒出，重复该步骤（5）一次；（6）将离心后的凝胶置于85℃烘箱中210min，烘干后研磨，过80目筛；（7）将过筛网后的淡黄色粉末置于管式炉中，在400℃温度下煅烧60min，冷却后得到Fe-I-TiO2催化剂。实施例2：Fe-I-TiO2催化剂的制备：（1）称取0.1620gFe(NO3)3•9H2O固体、量取30ml钛酸四丁酯溶液、量取1.2ml乙酰丙酮溶液依次加入到40ml无水乙醇中，对混合液（A液）进行磁力搅拌40min；（2）称取3.3275gKI固体、量取80ml无水乙醇、1.2ml乙酰丙酮溶液依次加入到4.5ml去离子水中，对混合液（B液）进行磁力搅拌9min；（3）将混合液（A液）以0.05ml/s的速率匀速滴加到混合液（B液）中，滴本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种共掺杂TiO2光催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤（1）：将Fe(NO3)3 •9H2O固体、钛酸四丁酯溶液、乙酰丙酮溶液加入到无水乙醇中，然后进行磁力搅拌；步骤（2）：将KI固体、无水乙醇、乙酰丙酮溶液加入到去离子水中，然后进行磁力搅拌；步骤（3）：将通过步骤（1）得到的混合液匀速滴加到通过步骤（2）得到的混合液中，持续进行磁力搅拌；步骤（4）：将通过步骤（3）得到的溶液用硝酸调节pH，磁力搅拌，静置形成凝胶；步骤（5）：将凝胶置于离心管中，加入离心溶剂，置于离心机中离心，离心结束后将上清液倒出，重复该步骤一次；步骤（6）：将离心后的凝胶置于烘箱中，烘干后研磨，过筛网；步骤（7）：将过筛网后的粉末置于加热炉中进行煅烧。

【技术特征摘要】
1.一种共掺杂TiO2光催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤（1）：将Fe(NO3)3•9H2O固体、钛酸四丁酯溶液、乙酰丙酮溶液加入到无水乙醇中，然后进行磁力搅拌；步骤（2）：将KI固体、无水乙醇、乙酰丙酮溶液加入到去离子水中，然后进行磁力搅拌；步骤（3）：将通过步骤（1）得到的混合液匀速滴加到通过步骤（2）得到的混合液中，持续进行磁力搅拌；步骤（4）：将通过步骤（3）得到的溶液用硝酸调节pH，磁力搅拌，静置形成凝胶；步骤（5）：将凝胶置于离心管中，加入离心溶剂，置于离心机中离心，离心结束后将上清液倒出，重复该步骤一次；步骤（6）：将离心后的凝胶置于烘箱中，烘干后研磨，过筛网；步骤（7）：将过筛网后的粉末置于加热炉中进行煅烧。2.根据权利要求1所述的共掺杂TiO2光催化剂的制备方法，其特征在于：在步骤（1）中，所述Fe(NO3)3•9H2O与钛酸四丁酯的摩尔比为0.002~0.005：1，无水乙醇与钛酸四丁酯溶液的体积比为4：3，乙酰丙酮溶液与钛酸四丁酯溶液的体积比为0.04:1，磁力搅拌时间为30~45min。3.根据权利要求1所述的共掺杂TiO2光催化剂的制备方法，其特征在于：在步骤（2）中，所述KI与钛酸四丁酯的摩尔比为0.10~0.15:1，无水乙醇与钛酸四丁酯溶液的体积比为8：3，乙酰丙酮...

【专利技术属性】
技术研发人员：田立江，沈晓玲，刘秉坤，李多松，梁星，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32