一种铜-氮共掺杂二氧化钛光催化材料、制备方法及应用技术

本发明专利技术属于光催化技术领域，公开了一种铜‑氮共掺杂二氧化钛光催化材料、制备方法及应用，以改性沸石为载体，以摩尔分数计，氮的掺杂量为0.5‑1.5％，铜的掺杂量为1.5‑2.5％，改性沸石载体占催化剂的含量为45‑65％。本发明专利技术提供的铜‑氮共掺杂二氧化钛光催化材料能够快速降解废水中的有机污染物，无二次污染，具有良好的机械性能和电化学性能，可显著提高材料的导电性能；Cu、N共同作为材料的活性位点，极大提高了材料的催化活性。本发明专利技术提供的铜‑氮共掺杂二氧化钛光催化剂的制备方法可重复度高、工艺简单、可大规模生产；使用非贵金属‑‑铜和氮，大大降低了商业实际应用的成本。

【技术实现步骤摘要】
一种铜-氮共掺杂二氧化钛光催化材料、制备方法及应用
本专利技术属于光催化
，具体涉及一种铜-氮共掺杂二氧化钛光催化材料、制备方法及应用。
技术介绍
目前，最接近的现有技术：光催化剂，也被称为光触媒，是一种在光的照射下，自身不起变化，却可以促进化学反应的物质。光触媒是利用自然界存在的光能转换成为化学反应所需的能量，来产生催化作用，使周围之氧气及水分子激发成极具氧化力的自由负离子。几乎可分解所有对人体和环境有害的有机物质及部分无机物质，不仅能加速反应，亦能运用自然界的定侓，不造成资源浪费与附加污染形成。世界上能作为光触媒的材料众多，包括二氧化钛、氧化锌、氧化锡、二氧化锆、硫化镉等多种氧化物硫化物半导体，其中二氧化钛(TiO2)因其氧化能力强，化学性质稳定且无毒，成为世界上最当红的纳米光触媒材料。二氧化钛(TiO2)是一种环境友好绿色功能材料，在光照射下形成强氧化氛围，几乎能将所有的有机污染物彻底氧化分解成二氧化碳、水等无毒的小分子。太阳能是清洁而经济的能源，TiO2光催化剂的禁带宽度为3.2eV，在到达地面的太阳能辐射波中，只能吸收到达地面太阳光能5％以下的紫外光(λ＜387nm)，不能有效利用太阳光中占绝大多数的可见光部分，利用效率很低。能否通过对催化剂改性，拓展TiO2吸收光谱向可见光移动，是提高其太阳能利用率的关键技术之一。然而，要充分发挥二氧化钛的实际应用水平，一方面需要通过调控材料形貌以暴露更多高活性晶面来提高光催化活性，另一方面需要通过掺杂不同金属或金属氧化物调控光敏波长向可见光范围扩展来提高太阳光的利用率。通过掺杂能够使光生载流子从体内扩散到表面所需时间变短，减少光生载流子的体相复合，而表面积增大，有利于提高催化剂对污染物的吸附能力，从而提高光催化降解污染物的效率。因此，研发成本低、制备简单的高活性的二氧化钛光触媒具有重要的科学意义和应用价值。根据目前的研究，由于片状二氧化钛纳米材料能够暴露更多的高指数晶面，具有更高的光催化活性，二氧化钛纳米片具有比纳米粒子更好的应用前景，因此对于二氧化钛纳米片的研究也备受关注。而单一的二氧化钛纳米材料的光敏波长一般在紫外区，光催化活性低，不利于实际应用。现有技术中，使用机械粉碎法、气相法和液相法制备的掺杂二氧化钛材料颗粒大小、形状不均，而且在干燥和锻烧的过程中易引起粒子间的团聚，使产品的分散性变差，影响产品的使用效果和应用范围。综上所述，现有技术存在的问题是：现有技术制备的掺杂二氧化钛材料颗粒大小、形状不均，而且在干燥和煅烧过程中易引起粒子间的团聚，使产品的分散性变差，影响产品的使用效果和应用范围。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种铜-氮共掺杂二氧化钛光催化材料、制备方法及应用。本专利技术是这样实现的，一种铜-氮共掺杂二氧化钛光催化材料，所述铜-氮共掺杂二氧化钛光催化材料以改性沸石为载体，以摩尔分数计，氮的掺杂量为10-15％，铜的掺杂量为15-25％，改性沸石载体占催化剂的含量为60-75％。本专利技术的另一目的在于提供一种制备所述铜-氮共掺杂二氧化钛光催化材料的铜-氮共掺杂二氧化钛光催化材料制备方法，所述铜-氮共掺杂二氧化钛光催化材料制备方法如下：步骤一，将尿素和含铜化合物置于无水乙醇溶液的反应器中，在20-50℃条件下，置于超声波中处理35min，加入盐酸调节pH值至1-3，搅拌均匀，得混合液A。步骤二，在搅拌条件下向步骤一得到的混合液A中滴加钛酸四丁酯的无水乙醇溶液，20-40℃条件下搅拌8-10h进行水解，得到掺杂的二氧化钛溶胶；步骤三，将改性沸石载体浸于掺杂的二氧化钛溶胶中，静置40-60min，然后在100-120℃条件下烘干10-12h得到干凝胶。步骤四，将步骤三得到的干凝胶冷却至室温后，置于程序控温的焙烧炉内，以不同的升温速率进行升温焙烧，得白色物质。步骤五，反应结束后，冷却至室温，用去离子水和无水乙醇溶液离心洗涤3-5次，置于真空干燥箱干燥，即得所述铜-氮共掺杂二氧化钛光催化材料。步骤六，将步骤五制备好的铜-氮共掺杂二氧化钛光催化材料进行光催化材料活性评价实验，并对实验结果进行分析。进一步，所述钛酸四丁酯、氮及铜的化合物中的Ti：N：Cu元素的摩尔比为1：0.2-0.5：0.01-0.1。进一步，步骤一中，所述含铜化合物为CuCl2·2H2O、Cu(NO3)2或Cu(CH3COO)2·H2O中的任意一种。进一步，步骤三中，所述改性沸石载体的制备方法为：(1)将天然沸石加入浓硝酸溶液中搅拌30-60min，过滤，干燥；(2)将处理后的沸石粉加入双氧水中搅拌30-60min，过滤，干燥；(3)将经处理的沸石采用三段式梯度煅烧，即可得到改性沸石。进一步，所述改性沸石的煅烧方法为：1)在760℃下进行煅烧30-60min；2)以10-14℃/min的升温速率升温到760℃，并在该温度下保温煅烧30-60min；3)以6-9℃/min的升温速率升温到1200℃，并在该温度下保温煅烧30-60min，煅烧结束后，自然冷却至室温，即得改性沸石。进一步，步骤四中，所述以不同的升温速率对干凝胶进行升温焙烧的方法如下：将所得干凝胶在炉内焙烧，以5-8℃/min的升温速率从室温升至300℃，保持20-50min；然后以8-12℃/min的升温速率升温至600℃，保持2-3h；再以8-12℃/min的升温速率升温至850℃，保持2-3h。进一步，步骤五中，所述真空干燥的温度为60-80℃，干燥2-4h。进一步，步骤六中，所述光催化材料活性评价实验结果的分析方法包括：X射线衍射(XRD)分析、透射电镜(TEM)分析和紫外—可见光(UV-VIS)吸收光谱分析；所述X射线衍射(XRD)分析，具体的为：采用FI本理学D/max-2550PC18kw转靶X射线衍射仪，通过与标准图谱相对照，便可确定TiO2样品的物相结构，按照Scherrer公式可计算TiO2样品的平均晶粒大小；所述透射电镜(TEM)分析具体的为：釆用日本电子JEM-CX型透射电子显微镜研究TiO2样品的形貌；所述紫外—可见光(UV-VIS)吸收光谱分析具体为：取0.1g纯净纳米TiO2样品于玛瑙研钵中，加适量乙醇、丙酮作为分散剂，加适量水作为溶剂，研磨，取上清液转移到1000ml容量瓶中，加水定容，即得到0.1g·L-1待测溶液，用紫外-可见分光光度计测试。本专利技术的另一目的在于提供一种铜-氮共掺杂二氧化钛光催化材料在光催化去污领域的有机染料降解中的应用，所述有机染料降解包括但不限于氯酚、亚甲基蓝的降解。综上所述，本专利技术的优点及积极效果为：本专利技术提供的铜-氮共掺杂二氧化钛光催化材料，能够快速降解废水中的有机污染物，无二次污染，催化剂易得、便宜、设备简单、投资少、效果好、材料来源广；具有良好的机械性能，同时为氧气的吸附与反应提供足够的空间，能够显著提高材料的导电性能；Cu，N本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铜-氮共掺杂二氧化钛光催化材料的制备方法，其特征在于，所述铜-氮共掺杂二氧化钛光催化材料的制备方法如下：/n步骤一，将尿素和含铜化合物置于无水乙醇溶液的反应器中，在20-50℃条件下，置于超声波中处理35min，加入盐酸调节pH值至1-3，搅拌均匀，得混合液A；/n步骤二，在搅拌条件下向步骤一得到的混合液A中滴加钛酸四丁酯的无水乙醇溶液，20-40℃条件下搅拌8-10h进行水解，得到掺杂的二氧化钛溶胶；/n步骤三，将改性沸石载体浸于掺杂的二氧化钛溶胶中，静置40-60min，然后在100-120℃条件下烘干10-12h得到干凝胶；/n步骤四，将步骤三得到的干凝胶冷却至室温后，置于程序控温的焙烧炉内，以不同的升温速率进行升温焙烧，得白色物质；/n步骤五，反应结束后，冷却至室温，用去离子水和无水乙醇溶液离心洗涤3-5次，置于真空干燥箱干燥，即可得所述铜-氮共掺杂二氧化钛光催化材料；/n步骤六，将步骤五制备好的铜-氮共掺杂二氧化钛光催化材料进行光催化材料活性评价实验，并对实验结果进行分析。/n

【技术特征摘要】
1.一种铜-氮共掺杂二氧化钛光催化材料的制备方法，其特征在于，所述铜-氮共掺杂二氧化钛光催化材料的制备方法如下：
步骤一，将尿素和含铜化合物置于无水乙醇溶液的反应器中，在20-50℃条件下，置于超声波中处理35min，加入盐酸调节pH值至1-3，搅拌均匀，得混合液A；
步骤二，在搅拌条件下向步骤一得到的混合液A中滴加钛酸四丁酯的无水乙醇溶液，20-40℃条件下搅拌8-10h进行水解，得到掺杂的二氧化钛溶胶；
步骤三，将改性沸石载体浸于掺杂的二氧化钛溶胶中，静置40-60min，然后在100-120℃条件下烘干10-12h得到干凝胶；
步骤四，将步骤三得到的干凝胶冷却至室温后，置于程序控温的焙烧炉内，以不同的升温速率进行升温焙烧，得白色物质；
步骤五，反应结束后，冷却至室温，用去离子水和无水乙醇溶液离心洗涤3-5次，置于真空干燥箱干燥，即可得所述铜-氮共掺杂二氧化钛光催化材料；
步骤六，将步骤五制备好的铜-氮共掺杂二氧化钛光催化材料进行光催化材料活性评价实验，并对实验结果进行分析。


2.如权利要求1所述的铜-氮共掺杂二氧化钛光催化材料的制备方法，其特征在于，所述钛酸四丁酯、氮及铜的化合物中的Ti：N：Cu元素的摩尔比为1：0.2-0.5：0.01-0.1。


3.如权利要求1所述的铜-氮共掺杂二氧化钛光催化材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述含铜化合物为CuCl2·2H2O、Cu(NO3)2或Cu(CH3COO)2·H2O中的任意一种。


4.如权利要求1所述的铜-氮共掺杂二氧化钛光催化材料的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述改性沸石载体的制备方法为：
(1)将天然沸石加入浓硝酸溶液中搅拌30-60min，过滤，干燥；
(2)将处理后的沸石粉加入双氧水中搅拌30-60min，过滤，干燥；
(3)将经处理的沸石采用三段式梯度煅烧，即可得到改性沸石。


5.如权利要求4所述的铜-氮共掺杂二氧化钛光催化材料的制备方法，其特征在于，所述改性沸石的煅烧方法为：
1)在760℃下进行煅烧30-60min；
2)以10-14℃/min的升温速率升温到760℃，并在该温度下保温煅烧30-60min；
3)以6-9℃/...

【专利技术属性】
技术研发人员：石新雨，杨艳，谭海燕，胡盛，谭志伟，
申请(专利权)人：湖北民族大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42