铜离子改性纳米二氧化钛制备及表征方法技术

本发明专利技术是一种铜离子改性纳米TiO

Preparation and characterization of nano titanium dioxide modified by copper ion

The invention relates to a copper ion modified nano TiO

【技术实现步骤摘要】
铜离子改性纳米二氧化钛制备及表征方法
本专利技术是一种铜离子改性纳米二氧化钛(TiO2)制备及表征方法，属于催化剂

技术介绍
光催化反应是半导体材料受外界辐射光能激发进而与催化剂表面的物质发生一系列化学反应的过程。光催化反应既能将有机污染物完全降解为CO2、H2O等无机物，也能将无机污染物通过氧化或还原无害化，目前广泛使用的大多数光催化剂生产成本低、反应稳定无毒无害且可以利用充沛的太阳能反复使用。早在1972年，Fujishima和Honda就利用TiO2的光催化性能在电极上分解水，之后Frank和Bard用TiO2作为光催化剂氧化氰酸盐，光催化材料的研究在各国陆续得到展开。纳米半导体材料独特的光催化性能使其成为目前最广泛使用的催化剂，包括TiO2、ZnO、SnO2、ZrO2等，硫化物有PdS、CdS等。ZnO主要在工业光催化领域使用，如航天、电子、冶金、化学、生物和环保等领域，可以起到有效抗红外线、紫外线和杀菌的作用。SnO2一般被用于处理工业和生活形成的有机废水。ZrO2的光催化活性较低，应用于降解有机物。CdS和ZnO的光催化反应过程和机理基本相同，主要用在处理纺织业产生的燃料废水，但是水环境中的光腐蚀反应会极大降低其使用时间和寿命，限制了其作为光催化剂的应用。这些半导体材料及其衍生物的应用研究仍在不断进行，其中TiO2凭借其较高的光催化活性以及安全自清洁等特点，而在生产生活中得到广泛应用，是最理想的半导体光催化剂之一。但是，分析TiO2光催化的反应原理可知，由于TiO2的带隙能较高，只能被太阳光中的紫外线激发，无法有效利用太阳光中的可见光进行光催化反应，故需要有效扩宽TiO2的光谱响应范围来高效利用太阳光。另外，由于TiO2的量子效率低，光生电子空穴分离的时间较短，提高载流子传递效率并减缓电子空穴的复合也可以提高TiO2的光催化效率。除此之外，TiO2较小的比表面积使得其吸附能力差，故利用新的制备方法或是负载方式来增大污染物与TiO2的接触面积仍需进一步的研究。考虑到材料的亲疏水性可以影响材料的表面催化、防水、抗氧化和自净等方面的应用，调控亲疏水性也有望调控TiO2的性能。为了改善的TiO2催化性能，一般可以通过微观结构和缺陷工程来制备不同形貌的纳米结构。有学者通过在TiO2中引入缺陷造成晶格混乱来制备具有核壳结构的TiO2，并通过掺杂氟和调控缺陷分布来调整其电化学性质，在寻求简便、高效、低成本制备方法的同时实现TiO2在能源和环境中的有效应用。也有研究者利用溶剂热掺杂方法制备过渡金属掺杂的高结晶度多孔TiO2，并发现钛乙二醇盐在紫外光辐射下可直接转化为具有超大比表面积的多孔TiO2材料，其具有优异的光生电子存储能力，而且多孔结构的可进入性可使电子与客体物质充分接触，在此基础上制备了多孔TiO2微球和TiO2纳米棒。尽管针对TiO2微观结构的调整已经进行了很多的尝试，但是由于TiO2本身性能的局限性，直接将TiO2作为光催化剂应用到生产生活中还难以达到理想的效果。因此，通过改性来提高光催化反应的量子产率并提高太阳光的利用率成为了普遍采用的方法，常见的改性方法主要有半导体复合、稀土元素掺杂、金属离子修饰、贵金属沉积和非金属元素掺杂等。其中，金属元素掺杂改性TiO2光催化剂是目前研究最广泛的TiO2改性方法，一般主要研究掺杂离子种类和掺杂量对TiO2光催化性能的影响，这种改性方法的制备方法多，操作简便。过渡金属离子掺杂既能拓宽TiO2的光响应范围，又能促进电子空穴的产生。有人采用水热法制备了4种第一过渡系金属元素(锰、铁、钴、锌)、2种IIA族金属元素(镁和钙)和1种IIIA族金属元素铝对TiO2进行单掺杂和钙-铁、镁-锌金属元素复合掺杂的新型薄膜电极，结果显示，第一过渡系金属元素锌掺杂TiO2薄膜电极改性效果最理想，其光电转换效率为7.68％，第一过渡系元素铁掺杂量达到2.0mol％时，开路光电压达到最大值，第二主族元素2.0mol％钙掺杂后，电子传输速提高了55.2％，光电转换效率达到8.35％，钙-铁和镁-锌复合掺杂的TiO2薄膜电极掺杂最佳浓度均为1.0mol％，其光电转换效率分别为6.07％和9.07％。也有研究者制备了球形和花状TiO2/Ag复合材料，并通过改变反应物浓度和焙烧温度控制复合材料的形貌，使得材料即使在无光条件下抑菌率也高达99％，可用于制造耐用的抗菌涂层。有人分析了Zn掺杂下TiO2氧空位的形成情况，结果显示氧空位的形成可以有效提高光催化活性，并改变表面酸碱性。可见，目前常用TiO2粒子能带间隙较宽，只能接受紫外光照射激发电子发挥光催化效能，对可见光利用率低，且光生电子空穴对的复合率较高，严重影响了光催化效率。因此，本专利技术在分析TiO2改性原理的基础上，以三水合硝酸铜作为铜离子掺杂源，采用溶胶-凝胶法制备铜离子改性纳米TiO2光催化材料，并采用不同表征方法分析改性效果，确定合适铜离子掺量，进一步提高纳米TiO2光催化性能。
技术实现思路
(1)技术问题本专利技术目的是提供一种铜离子改性纳米TiO2制备及表征方法，该方法在分析TiO2改性原理基础上，采用铜离子作为掺杂剂，制备铜离子改性TiO2，从而解决目前常用TiO2能带间隙较宽，只接收紫外光照射激发而发挥催化性能，对可见光利用率低，且光生电子空穴对的复合率较高，严重降低了TiO2光催化效率、降解效果等问题，因此提高对可见光的利用效率，降低电子空穴对的复合速率，改善TiO2催化效率及降解效果。(2)技术方案针对目前常用TiO2存在能带间隙较宽，只能接收紫外光，对可见光利用率低，且光生电子空穴对的复合率较高，严重降低了TiO2光催化效率、降解效果等问题。本专利技术的技术方案如下：首先量取无水乙醇于烧杯中，加入钛酸丁酯搅拌直至形成均匀透明的溶液A；再量取无水乙醇、乙酸、蒸馏水，并按照铜与钛的摩尔比分别加入一定量的硝酸铜在烧杯中，搅拌均匀后置于分液漏斗中，记作溶液B；然后，在恒温下用磁力搅拌器搅拌，往溶液A中滴加溶液B，搅拌过程中保证密封，直至形成均匀透明的溶胶，在常温、密闭条件下陈化7天形成湿凝胶后移至电热恒温鼓风干燥箱中干燥，把制得的干凝胶研磨成粉末，煅烧制得铜离子改性纳米TiO2；最后采用X射线衍射仪、透射电子显微镜、X射线光电子能谱仪及紫外-可见分光光度计表征铜离子对纳米TiO2的改性效果，确定铜离子最佳掺杂量，制备铜离子改性纳米TiO2，提高纳米TiO2催化效果。(3)有益效果采用本专利技术提供的铜离子改性纳米TiO2制备及表征方法，可制备对可见光的利用效率高，电子空穴对的复合速率低，催化效率及降解效果高的TiO2铜离子改性纳米TiO2，解决目前常用TiO2能带间隙较宽，只接收紫外光照射激发而发挥催化性能，对可见光利用率低，且光生电子空穴对的复合率较高，严重降低了TiO2光催化效率、降解效果等问题，更好应用于污水处理、净化空气、除菌等领域，提高纳米TiO2的使用效能。具体实施方式本专利技术提供一种铜离子改性纳米二氧化钛制备及表征方法，具体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铜离子改性纳米二氧化钛制备及表征方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：/n(1)量取30ml无水乙醇于烧杯中，加入16g钛酸丁酯搅拌30min直至形成均匀透明的溶液A；/n(2)量取30ml无水乙醇、20ml乙酸、8ml蒸馏水，并按照铜与钛的摩尔比为0.5％、1％、1.5％分别加入一定量的硝酸铜在烧杯中，搅拌均匀后置于分液漏斗中，记作溶液B；/n(3)在30℃恒温下用磁力搅拌器搅拌，往溶液A中滴加溶液B，搅拌过程中保证密封，直至形成均匀透明的溶胶，在常温、密闭条件下陈化7天；/n(4)陈化7天形成湿凝胶后移至电热恒温鼓风干燥箱中，在100℃下干燥18h，制得干凝胶；/n(5)将干凝胶研磨成粉末，在500℃条件下采用电阻炉煅烧2h制得铜离子改性纳米二氧化钛；/n(6)采用X射线衍射仪、透射电子显微镜、X射线光电子能谱仪及紫外-可见分光光度计表征铜离子对纳米二氧化钛的改性效果，确定铜离子最佳掺杂量，制备铜离子改性纳米二氧化钛，提高纳米二氧化钛催化效果。/n

【技术特征摘要】
1.一种铜离子改性纳米二氧化钛制备及表征方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：
(1)量取30ml无水乙醇于烧杯中，加入16g钛酸丁酯搅拌30min直至形成均匀透明的溶液A；
(2)量取30ml无水乙醇、20ml乙酸、8ml蒸馏水，并按照铜与钛的摩尔比为0.5％、1％、1.5％分别加入一定量的硝酸铜在烧杯中，搅拌均匀后置于分液漏斗中，记作溶液B；
(3)在30℃恒温下用磁力搅拌器搅拌，往溶液A中滴加溶液B，搅拌过程中保证密封...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡智慧，许涛，张韩帅，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32