一种具有光热增强光催化黑色二氧化钛材料的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种具有光热增强光催化黑色二氧化钛材料的制备方法，涉及TiO

【技术实现步骤摘要】
一种具有光热增强光催化黑色二氧化钛材料的制备方法
本专利技术涉及TiO2的改性及其光催化应用
，尤其涉及一种具有光热增强光催化黑色二氧化钛材料的制备方法。
技术介绍
由于半导体是应用最多的光催化剂材料，因此，如何让半导体在保持光催化活性的同时，具有一定的光热效应，是本研究领域探索的重点。而TiO2存在的带隙宽等缺点限制了其应用能力，导致其在太阳光下催化效率低，太阳能的利用率不高。近年来，针对黑色TiO2的不断研究改进了传统TiO2的缺点。最常见的是氢化黑色TiO2，其工艺过程是在氢气气氛中通过高温将TiO2进行部分还原，生成氢化TiOx(x<2)。这种氢化黑色TiO2中存在无序层或Ti3+或氧空位等缺陷，一方面，这些缺陷改变了初始TiO2的禁带结构，使TiO2的光吸收边界扩展到可见光甚至近红外区域，提高了对太阳能的利用率；另一方面，这些缺陷在某种程度上能阻碍激发电子/空穴对的复合，延长了载流子的寿命，从而提高了催化效率。因此，黑色TiO2在具有强催化活性的同时，具有了可见光及近红外的光热效应，具有光热增强光催化应用的前景。光热增强光催化的理念在于利用材料的光热作用，提高半导体催化的反应温度，起到增强光催化性能的作用。与已有的增强光催化手段相比，光热光催化在不借助于其他外场的情况下，能合理利用材料本身的光热能力，将太阳能转换为热能，增强光催化的性能，极大提高了材料整体对太阳能的利用率。但这种还原TiO2也同样存在一些缺陷：氢气的加入导致工艺复杂、成本较高，而且制备周期长；同时，还原生成得到Ti3+和氧空位等缺陷在空气中易被氧化，导致黑色TiO2在使用过程中光催化活性变差。但缺陷对TiO2光催化性能的影响有利也有弊。部分无序结构能有效增加半导体的光吸收能力；同时，形成的表面无序壳在很大程度上增强了激发电子/空穴对的迁移和分离，增加载流子的密度，从而对光催化性能有利。但过多的无序结构反而抑制了TiO2光催化性能，主要是因为无序结构过多导致了活性物质的减少，虽然电子/空穴对复合变得更加困难，但总体载流子数目减少，导致光催化活性降低。研究表明，随着无序层厚度的增加，黑色TiO2的吸光能力变强，但催化效率相对有所下降。因此，如何权衡这个矛盾点是本专利技术研究的重点。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种具有光热增强光催化黑色二氧化钛材料的制备方法。为实现本专利技术的上述专利技术目的，本专利技术提供如下技术方案：一种具有光热增强光催化黑色二氧化钛材料的制备方法，包括以下步骤：A、将氢化钛原料粉末制备TiH2悬浮液；B、将TiH2悬浮液分级多次氧化并干燥，得到前驱体粉末，所述前驱体粉末包括TiOOH粉末；C、将干燥后的粉末置于氩气气氛中高温煅烧，即得所述黑色二氧化钛材料。优选的，所述步骤A具体包括：a、取氢化钛粉末置于烧杯中；b、加入蒸馏水，超声30～45min，即得TiH2悬浮液，少于30min，氢化钛无法均匀分散，无法形成悬浮液，多于45min，由于超声所带来的溶液温度的升高，导致氢化钛的分解。优选的，所述TiH2悬浮液的浓度为0.096g/ml。优选的，所述步骤B具体包括：a1、在TiH2悬浮液中加入浓度为30％的H2O2溶液并不断搅拌，所述TiH2悬浮液与H2O2溶液体积比为10:15，搅拌3～4h，转速为300r/min；b1、继续加入若干次相同体积的30％H2O2溶液，优选为3-4次，搅拌3～4h，转速为300r/min，即可得到所需的前驱体凝胶；c1、将所述前驱体凝胶真空干燥大于或等于12h，温度为110℃，避免低价钛在干燥过程中被氧化，也避免前驱体凝胶无法干燥，得到前驱体粉末。优选的，所述步骤a1、步骤b1中H2O2溶液的滴加速度为10ml/min。优选的，所述步骤C具体包括：将干燥后的前驱体粉末置于刚玉坩埚中，然后置于管式炉中，在氩气环境中煅烧。优选的，所述管式炉的升温速度为5℃/min。优选的，所述煅烧的保温时间为4～6h。优选的，所述煅烧的温度为650℃～800℃。综上所述，与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：(1)本专利技术使用氧化方法制备黑色TiO2，相对于现有的还原方法，氧化法操作简单，不需要氢气还原气氛，安全性能更好；同时，氧化法所制备得到的黑色TiO2具有更好的性能稳定性，在光催化降解时候氧空位等缺陷不易被氧化，催化循环性能更好。(2)由于本专利技术制备的黑色TiO2在250～2000nm波长范围内具有较强的光吸收性能，能有效利用可见光及近红外波段的光热效应，且由于所制备的黑色TiO2具有“核壳”、氧空位等缺陷，光催化性能得到了有效提升。因此，所制备的黑色TiO2有效结合了光热性能和光催化性能，且光热性能对光催化起到促进作用，具有较好的光热增强光催化性能。(3)本专利技术通过控制煅烧温度，控制所得黑色TiO2的无序结构等缺陷，从而可以在不同领域得到应用。在较低温度下煅烧时，黑色TiO2具有较好的结晶度，且晶型主要为锐钛矿，光吸收性能得到提升的同时光催化活性得到保留，从而具有较强的光热增强光催化性能，可以应用于光催化降解有机物；在较高温度下煅烧时，得到的黑色TiO2粉末晶型转换为其他结构，不具有光催化活性，但在整个太阳光波长范围内具有较强的光吸收性能，可以应用于光热水蒸发等领域。附图说明图1是本专利技术实施例1、实施例2、实施例3所得产物(B-T1、B-T2、B-T3)及对比样品(P25)的XRD图；图2(a)是本专利技术实施例1所得产物的TEM图及HRTEM图；图2(b)是本专利技术实施例2所得产物的TEM图及HRTEM图；图2(c)是本专利技术实施例3所得产物的TEM图及HRTEM图；图3是本专利技术实施例1、实施例2、实施例3所得产物(B-T1、B-T2、B-T3)及对比样品(P25)在250-2000nm光波段的吸收光谱图；图4为所得本专利技术实施例1、实施例2、实施例3所得产物(B-T1、B-T2、B-T3)对切削液的光催化降解曲线图。具体实施方式以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变化和改进，这些都属于本专利技术的保护范围。下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明：实施例1一种具有光热增强光催化黑色二氧化钛材料的制备方法，包括以下步骤：A、将氢化钛粉末制备TiH2悬浮液；取0.96g氢化钛粉末置于烧杯中；加入10ml蒸馏水，超声30min，即得浓度为0.096g/ml的TiH2悬浮液。B、在TiH2悬浮液中以10ml/min的速度加入15mL浓度为30％的H2O2溶液并不断搅拌，TiH2悬浮液与H2O2溶液体积比为10:15，转速为300r/min搅拌3h；继续以10ml/min的速度加入12mL30％H2O2溶液本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有光热增强光催化黑色二氧化钛材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/nA、将氢化钛原料粉末制备TiH

【技术特征摘要】
1.一种具有光热增强光催化黑色二氧化钛材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将氢化钛原料粉末制备TiH2悬浮液；
B、将TiH2悬浮液分级多次氧化并干燥，得到前驱体粉末，所述前驱体粉末包括TiOOH粉末；
C、将干燥后的粉末置于氩气气氛中高温煅烧，即得所述黑色二氧化钛材料。


2.根据权利要求1所述的具有光热增强光催化黑色二氧化钛材料的制备方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：
a、取氢化钛粉末置于烧杯中；
b、加入蒸馏水，超声30～45min，即得TiH2悬浮液。


3.根据权利要求2所述的具有光热增强光催化黑色二氧化钛材料的制备方法，其特征在于，所述TiH2悬浮液的浓度为0.096g/ml。


4.根据权利要求1所述的具有光热增强光催化黑色二氧化钛材料的制备方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：
a1、在TiH2悬浮液中加入浓度为30％的H2O2溶液并不断搅拌3～4h，搅拌转速为300r/min；
b1、重复步骤a1一次或多次即可得到所需的前驱体凝胶；
c1、将所述前驱体凝胶真空...

【专利技术属性】
技术研发人员：张旺，傅思齐，朱本必，张书倩，赵鑫坤，刘庆雷，张荻，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31